خدمات پاساکو

خوردگی در صنعت نفت هر ساله باعث از بین رفتن میلیارد ها دلار می شود. موارد زیادی از خوردگی گسترده در لوله های تولید، شیرها و در خطوط جریان از چاه به تجهیزات پردازش، رخ داده است؛ دلیل این امر این است که نفت و گاز حاصل از چاه حاوی مقادیر مختلفی از آب است که می تواند به عنوان یک مرحله جداگانه در تماس با سطح ماده، رسوب شود و اینکه این آب حاوی گازهایی مانند CO2 و احتمالاً H2S و همچنین نمک است. در بیشتر موارد خوردگی شدید، CO2 نقش عمده ای دارد. خوردگی یکنواخت ۳۰٪ و ۷۰٪ دیگر در اثر خوردگی موضعی ایجاد می شود. روش های مختلف کنترل خوردگی باعث حفاظت از تاسیسات و کتهش هزینه ها می گردد.

هر صنعت، هر سیستم پالایشگاهی، مشکلات خاص خود را از پدیده های خوردگی با فرکانس های مختلف دارد. حدود ۷۵٪ از کل خوردگی به دلیل عدم اطلاع و دانش کافی و همچنین تعامل ناکافی بین گروه های مختلف مسئولیت پذیر و تصویب تصمیمات ضد خوردگی اتفاق می افتد. عامل انسانی یکی از دلایل اصلی خوردگی هاست. مشکلات خوردگی در صنعت نفت در سه حوزه اصلی رخ می دهد:

(۱) تولید،

(۲) حمل و نقل و ذخیره سازی و

(۳) عملیات پالایشگاه. بسیاری از پالایشگاه ها حاوی بیش از پانزده واحد فرآیند مختلف هستند که هر یک ترکیبی خاص از جریان های فرآیند خورنده و دمای و فشار دارند. خوردگی معمولاً بسیار آهسته اتفاق می افتد، مگر اینکه در ابتدا مواد نادرست یا ناقصی نصب شده باشند. خوردگی پالایشگاه را نیز می توان دسته بندی کرد:

(۱) خوردگی در دمای پایین که در دمای کمتر از ۲۶۰ درجه سانتیگراد و در حضور آب رخ می دهد.

(۲) خوردگی در دمای بالا: در دماهای بالاتر از ۲۶۰ درجه سانتیگراد رخ می دهد ، بدون اینکه آب موجود باشد.
صنعت نفت شامل فرآیندهای جهانی اکتشاف ، استخراج ، پالایش ، حمل و نقل (اغلب توسط تانکرهای نفتی و خطوط لوله) و بازاریابی فرآورده های نفتی است. بیشترین حجم تولیدات این صنعت، بنزین و گازوئیل است. نفت همچنین ماده اولیه بسیاری از محصولات شیمیایی از جمله داروهای دارویی ، حلالها ، کودها ، سموم دفع آفات ، رایحه های مصنوعی و پلاستیک ها است. این صنعت معمولاً به سه مؤلفه اصلی تقسیم می شود: بالادست ، میان رده و پایین دست. عملیات میانی معمولاً در رده پایین دست قرار می گیرد.
نفت برای بسیاری از صنایع بسیار حیاتی است و از نظر حفظ تمدن صنعتی در پیکربندی فعلی آن از اهمیت زیادی برخوردار است و بنابراین نگرانی اساسی بسیاری از ملل محسوب می شود. نفت درصد زیادی از مصرف انرژی جهان را شامل می شود، ۳۲٪ برای اروپا و آسیا، بالاتر از ۵۳٪ برای خاورمیانه ، که کشورهای توسعه یافته بزرگترین مصرف کننده آن هستند. تولید ، توزیع ، پالایش و خرده فروشی فرآورده های نفتی به عنوان یک کل، بزرگترین صنعت جهان را از نظر ارزش دلار نشان می دهد.

خوردگی در تولید

میادین نفت و گاز مقدار زیادی لوله آهن ، فولاد ، لوله ، پمپ ، شیر و میله مکنده مصرف می کنند. نشت باعث از بین رفتن روغن و گاز و همچنین نفوذ آب و لجن می شود و در نتیجه باعث افزایش خسارت خوردگی می شود. آب شور و سولفیدهای غالباً در چاه های نفت و گاز وجود دارند. خوردگی در چاه ها در داخل و خارج از پوشش رخ می دهد. تجهیزات سطح در معرض خوردگی جو هستند. در عملیات ریکاوری ثانویه، آب را به داخل چاه پمپ می کنند.

چاه های نفت شیرین

به نظر می رسد که خوردگی در چاه های پر فشار در خط لوله تولید نفت، در بسیاری از مناطق تقریباً به یک مشکل معمول تبدیل شده است. سه روش برای مقابله با خوردگی لوله ها استفاده می شود – پوشش لوله ها، بازدارنده ها یا ضد خوردگی ها و آلیاژها استفاده می شود. لوله های روکش شده بیشترین کارایی را پیدا کرده اند و تا همین اواخر تقریباً در تمام تاسیسات روکش از فنل های محافظت کننده استفاده شده است. رزین های اپوکسی خشک شده اکنون در مقادیر فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرند.

چاه نفت ترش

این چاه ها نفت را با مقدار بیشتری گوگرد نسبت به چاه های شیرین کنترل می کنند و محیطی خورنده تر را نشان می دهند. در چاه های حاوی H2S بالا ممکن است در قسمت بالای چاه که در آن فضای با گاز پر شده است، حمله ای شدید به پوشش داده شود. بخار آب در این منطقه متراکم می شود و H2S و CO2 را جذب می کند.

خوردگی در حمل و نقل و ذخیره سازی

فرآورده های نفتی توسط تانکرها ، خطوط لوله ، مخازن راه آهن و کامیون های تانکر دار حمل می شوند. شدیدترین مشکل خوردگی داخلی در مخازن رخ می دهد. تانکرهای حاوی گازوئیل مشکل خوردگی داخلی شدیدتری نسبت به مخازن نفت دارند زیرا بنزین فلز را بیش از حد تمیز نگه می دارد. نفت لایه یا فیلمی را ایجاد می کند که در برخی موارد باعث حفاظت می شود. تانک های اتومبیل و کامیون های تانکردار برای خوردگی جوی در قسمت بیرونی پوشیده شده اند. دلیل اصلی خوردگی داخلی مخازن ذخیره آب ، وجود آب است.

تشکیل زنگ در دیواره های داخلی خطوط لوله ناشی از حضور آب است که باعث کاهش جریان در خطوط لوله شود و همچنین می تواند باعث آلودگی محصول شود. با تزریق بازدارنده های خوردگی (چند قسمت در میلیون) مانند آمین ها و نیتریت ها در جریان محصول از تشکیل زنگ در لوله ها جلوگیری می شود. خوردگی دیواره های خارجی خطوط لوله با توجه به ماهیت خاک یا آب ، دما ، دسترسی اکسیژن و عوامل دیگر بسیار متفاوت است. برای جلوگیری از خوردگی خاک از پوشش و محافظت کاتدی استفاده می شود. امروزه به طور کلی مشخص شده است که ترکیبات پوشش خوب و محافظت کاتدی بهترین روش برای اطمینان از عمر طولانی و بدون نشت در لوله های مدفون است.

خوردگی در واحدهای پالایشگاه

نفت خام همیشه حاوی ناخالصی هایی است که اغلب منجر به مشکلات شدید خوردگی در پردازش می شوند. محصولات چگال شده از فرآیندهای تقطیر غالباً با موادی مانند اسید سولفوریک ، اسید نفتنیک ، سولفید هیدروژن و کلرید هیدروژن آلوده می شوند. از این رو خوردگی قابل توجهی وجود دارد ، بنابراین می تواند بعنوان محصول جانبی لوله های تقطیر و خنک کننده رخ دهد. خوردگی به طور کلی به صورت ضایعات عمومی ناهموار صورت می گیرد و محصولات خوردگی نامحلول مانند سولفید مس اغلب تولید می شود. شکاف ممکن است به سرعت در زیر این رسوبات غیر محافظ انجام شود. پرکاربردترین مواد لوله ای ، برنج هایی با مقدار بالای روی هستند. هنگامی که از آب دریا یا آب شفاف برای خنک کننده استفاده می شود، در تجهیزات تبادل گرما احتمال خوردگی در کنار آب وجود دارد. در لوله تبادل گرما ، با تزریق قلیایی یا آمونیاک می توان خوردگی را به حداقل رساند تا pH در یک شکل کنترل شده با همراهی یک یا سایر مهارکننده های آمین تشکیل دهنده فیلم حفظ شود. از طرف آب خنک کننده ، با استفاده از سیستم های مناسب محافظت کاتدی در کاناله ای بخاری و خنک کننده ، می توان مزایای آن را بدست آورد. از Zn یا Mg می توان به عنوان آند قربانی استفاده کرد.

خنک کردن آب دریا با پمپ های گردشی در پالایشگاه ها یک مشکل اساسی در کنترل خوردگی است. هنگام خنک کردن آب از طریق لوله های فولادی ، ترکیبی از پوشش های ضخیم بر اساس قیر زغال سنگ به علاوه محافظ کاتدی موثر است. پمپ های گردشی آب خنک کننده از برنز و چدن ساخته شده اند که دارای حفاظت کاتدی از منبع خارجی جریان تحت تأثیر هستند.

برای لوله در استوانه ها و لوله های ترک گاز از فولادهای ضد زنگ استفاده می شود. در بعضی موارد ، یک برج واحد با دو یا سه ماده مختلف روکش شده است تا از تغییر خوردگی در بالا و پایین برج مراقبت کند. خوردگی توسط خوردگی ترش با درجه حرارت و با افزایش مقدار گوگرد افزایش می یابد. کروم مفیدترین عنصر آلیاژی در فولاد برای مقاومت در برابر ترکیبات گوگرد است. بنابراین ، با افزایش گوگرد و دمای شروع به میزان کم ۱ درصد از کروم ، محتوای کروم فولاد افزایش می یابد.

مواد غیر فلزی در برابر خوردگی شیمیایی مقاوم بوده و از آلودگی محصول عاری هستند. این ویژگی آنها را برای صنایع پالایشگاه و صنایع پتروشیمی بسیار جذاب می کند. از لاستیک طبیعی به عنوان یک ماده سازه ای و به عنوان روکش کشتی برای جلوگیری از آلودگی و خوردگی استفاده شده است. لوله های انعطاف پذیر به طور گسترده ای به عنوان اتصالات موقتی در ذخیره سازی و حمل و نقل مواد مورد استفاده قرار می گیرند. گرافیت از رسانایی حرارتی بسیار خوبی برخوردار است و این خاصیت در ترکیب با مقاومت در برابر بخار و مایعات بسیار خورنده علاوه بر استفاده در کشتی ها، دریچه ها، پمپ ها و لوله کشی ، زمینه کاربردهای تبادل گرما را نیز باز می کند.

خوردگی در زیر عایق

تشخیص این نوع خوردگی دشوار است زیرا باید عایق را برای بازرسی از سطح برداشته و از این رو یکی از بزرگترین و گران ترین و خطرناک ترین مشکلات برای صنایع مختلف به حساب می آید. این خوردگی در ناحیه تماس بین فلز و عایق رخ می دهد. به طور کلی در لوله ها، مخازن و تجهیزات مشاهده می شود و به دلیل نوع عایق مورد استفاده است. خوردگی در زیر عایق با وجود اکسیژن و آب رخ می دهد. هنگامی که آب و اکسیژن در سطح فلز وجود دارد، خوردگی به دلیل انحلال فلز (اثر آندی) رخ می دهد.

این فرایند شیمیایی با کاهش اکسیژن متعادل می شود. میزان خوردگی در زیر عایق بستگی به نوع عایق، در دسترس بودن اکسیژن، ناخالصی آب، دما و گرما، خاصیت انتقال سطح فلز و وضعیت سطح فلز از نظر خشک یا مرطوب، دارد. در صورت عدم وجود اکسیژن، خوردگی ناچیز است، اگرچه فولادهای کربنی و آلیاژ کم، کمترین میزان خوردگی را در محیط قلیایی دارند، اما یون های کلرید موجود در زیر پوشش باعث ایجاد شکاف موضعی و چاله های موضعی می شوند. اگر اکسیدهای گوگرد و نیتروژن که اسیدی هستند از درون ناخالصی های داخل آب یا هوای داخل عایق نفوذ کنند، یا اگر آب اسیدی باشد خوردگی رخ می دهد. بعضی اوقات ناخالصی های آب یا هوا، به ویژه یون های نیترات باعث می شوند که پوسته پوسته شدن بیرونی SCC در زیر پوشش در فولادهای کربنی یا آلیاژ کم باشد.

مشکل از این واقعیت ناشی می شود که به دلیل شرایط عایق، لوله ها، مخازن و سایر تجهیزات از خوردگی در زیر عایق رنج می برند. صرف نظر از اینکه چقدر عایق پیچیده شده در اطراف لوله ها قرار گرفته یا به آن تحمیل شده است، در فضای بین این دو، اختلاف درجه حرارت زیادی وجود دارد، زیرا در این قسمت درجه حرارت بالا به طور ناگهانی با سطح پایین قرار می گیرد. بنابراین تراکم حاصل می شود. هوای گرم رطوبت بیشتری نسبت به هوای سرد دارد. هنگامی که هوای گرم به سرعت در تماس با عایق خنک شود ، سرعت انتقال حرارت کاهش می یابد و رطوبت آزاد می شود یا به عبارتی، تراکم ایجاد می شود و بنابراین با ظهور رطوبت و اکسیژن موجود در هوا ، زنگ زدگی و خوردگی رخ می دهد. عایق کاری روی سطح فلز از تبخیر رطوبت جلوگیری می کند و در این حالت عایق به عنوان حامل عمل می کند و بیشتر رطوبت انباشته شده در یک منطقه به مناطق دیگر را موجب می شود و باعث می شود که خوردگی ایجاد شده در یک منطقه به جای دیگر منتقل شود. سطح پوشانده شده از عایق های سنتی مانند فایبرگلاس و پشم سنگ رطوبت را به دام می اندازد و از تبخیر جلوگیری می کند.
عایق سنتی حاوی کلرید است و اگر این در معرض رطوبت باشد ، ممکن است کلرید با رطوبت روی سطح فلزاتی مانند نفت و خط لوله گاز ظاهر شود و به دلیل خوردگی، می تواند سوراخ و یا ترک هایی روی سطح ایجاد کند.

خوردگی CO2 و H2S در خطوط لوله نفت

خوردگی فولاد توسط CO2 و CO2 / H2S یکی از مهمترین مشکلات صنعت نفت است. وجود دی اکسید کربن، سولفید هیدروژن و آب آزاد می تواند باعث مشکلات شدید خوردگی در خطوط لوله نفت و گاز شود. خوردگی داخلی در چاه ها و خطوط لوله تحت تأثیر دما، محتوای CO2 و H2S ، شیمی آب، سرعت جریان، مرطوب سازی نفت یا آب و ترکیب و شرایط سطح فولاد است. تغییر کوچکی در یکی از این پارامترها می تواند سرعت خوردگی را به میزان قابل توجهی تغییر دهد. در حضور CO2، می توان میزان خوردگی را تحت شرایطی کاهش داد که محصول خورندگی، کربنات آهن (FeCO3) بر روی سطح فولاد رسوب کند و یک فیلم محصول خوردگی متراکم و محافظ تشکیل دهد. این براحتی در دمای بالا یا pH زیاد در فاز آب رخ می دهد. هنگامی که محصولات خوردگی روی سطح فولاد قرار نمی گیرند، میزان خوردگی بسیار بالایی از چندین میلی متر در سال می تواند رخ دهد. وقتی H2S علاوه بر CO2 موجود باشد، فیلم های سولفید آهن (FeS) به جای FeCO3 تشکیل می شوند. این فیلم محافظ می تواند در دمای پایین تر تشکیل شود، زیرا Fes خیلی راحت تر از FeCO3 تشکیل می شود. خوردگی موضعی با میزان خوردگی بسیار بالا می تواند زمانی رخ دهد که فیلم محصول خوردگی از حفاظت کافی برخوردار نباشد و این بدترین نوع حمله خوردگی در خطوط لوله نفت و گاز است.

خوردگی CO2

خوردگی دی اکسید کربن یکی از مهمترین و حساس ترین شکل خوردگی در صنعت نفت و گاز است. به طور کلی به این دلیل است که نفت خام و گاز طبیعی از مخزن نفت و چاه گاز معمولاً حاوی مقداری CO2 است. نگرانی اصلی در مورد خوردگی CO2 در صنعت نفت و گاز این است که خوردگی CO2 می تواند باعث خرابی تجهیزات به ویژه خط لوله اصلی لوله انتقال شود و در نتیجه می تواند تولید نفت و گاز را مختل کند. مکانیسم های اصلی واکنش خوردگی CO2 طی چندین دهه گذشته توسط بسیاری از محققان به خوبی درک و پذیرفته شده است.

خوردگی H2S

در حضور H2S ، مواد فلزی دچار خوردگی می شوند که منجر به تولید هیدروژن و متعاقبا انواع مختلفی از مشکلات ناشی از ترک خوردگی و ترک خوردگی ناشی از هیدروژن می شود که به طور بالقوه می تواند باعث بروز اختلال شود.
خوردگی شکافی فولادهای آلیاژی کم نیز می تواند در شرایط خاصی از دما، سرعت جریان و نسبت CO2 به H2S رخ دهد. مقاومت فولادهای کربن و آلیاژ کم در برابر ترک خوردگی استرس سولفید (SSC) نشان داده شده است که نه تنها به فشار جزئی H2S بلکه به pH محیط بستگی دارد.
خوردگی داخلی فولاد کربن در حضور H2S یک مشکل قابل توجه برای پالایشگاه های نفتی و تأسیسات تصفیه گاز طبیعی است. تشکیل مقیاس سطح یکی از مهمترین عوامل حاکم بر میزان خوردگی است. رشد مقیاس در درجه اول به سینتیک تشکیل مقیاس بستگی دارد. برخلاف بارندگی نسبتاً مستقیم کربنات آهن رو به جلو ، در خوردگی CO2 خالص، در محیط H2S انواع سولفید آهن ممکن است مانند سولفید آهن آمورف، سولفید آهنی مکعب ، اسمیتیت ، گریگت ، پیروتیت ، تریلیت و پیریت تشکیل شود.

غلظت H2S تأثیر بسیار زیادی در توانایی محافظتی فیلم سولفید تشکیل یافته دارد. با افزایش غلظ H2S ، فیلم تشکیل شده حتی در pH 3-5 سست است و به اثر بازدارنده خوردگی کمک نمی کند.
وابستگی دما از خوردگی H2S برای قرار گرفتن در معرض کوتاه مدت بسیار ضعیف است و به نظر نمی رسد که در زمان مواجهه طولانی تر تأثیر داشته باشد. این نشان می دهد که میزان خوردگی غالباً با حضور مقیاس سولفید آهن کنترل می شود.

خوردگی خفیف داخلی فولاد با حضور CO2 و H2S یک مشکل مهم برای صنایع نفت و گاز است. اگرچه تعامل H2S با فولادهای کربن مشخص شده است ، اما درک تأثیر H2S بر خوردگی CO2 هنوز محدود است زیرا ماهیت تعامل با فولاد کربن پیچیده است.

مهار کننده خوردگی یک ماده شیمیایی است که وظیفه آن جلوگیری از روند آسیب رساندن به مواد است. بازدارنده خوردگی یک فیلم محافظ محکم بر روی سطح مواد (فلز) ایجاد می کند یا باعث می شود که غیرفعال بودن فلز انجام شود. مهارکننده ها باعث جلوگیری از خوردگی می شوند، اما تغییرات ایجاد شده در زنگ زدگی، خوردگی و غیره را حذف نمی کنند. به طور کلی ، ترکیبات آلی و معدنی به عنوان بازدارنده های خوردگی استفاده می شوند. با توجه به مکانیسم عمل، بازدارنده ها را می توان به: آندی، کاتدی و مخلوط کاتدی-آندی تقسیم کرد.

اثر این بازدارنده ها تا حد زیادی به pH محیط بستگی دارد. برخی از آنها خاصیت محافظتی خوبی را به طور انحصاری در محلول های خنثی نشان می دهند، در حالی که در الکترولیت اسید بر دامنه خوردگی تأثیر نمی گذارند و بعضی اوقات حتی باعث تقویت آن می شوند. ترکیباتی نیز وجود دارند که فقط در محیط اسید فعال هستند. بیشتر بازدارنده ها به طور خاص بر روی یک فلز یا گروه فلزات تأثیر می گذارند، اما از تعداد بیشتری فلز یا آلیاژ محافظت نمی کنند. استثنائات کرومات ها هستند که اکثر فلزات را منفعل می کنند. با در نظر گرفتن مکانیسم عمل بازدارنده های خوردگی می توان آن ها را به چند دسته تقسیم کرد:
• بازدارنده های خوردگی تشکیل دهنده فیلم
• بازدارنده های خوردگی کاتدی
• بازدارنده های خوردگی آندی
• بازدارنده های خوردگی کاتدی- آندی

صنعت نفت بسیار مستعد حملات تخریبی سیستم است. برای طیف گسترده ای از محیط های خورنده مساعد است. میادین نفتي در مناطق گرمسيري واقع شده اند كه رطوبت زياد، وزش بادي نمك و ماسه هاي حاصل از هوا باعث آسيب به سازه ها و تجهيزات مي شوند. خطوط لوله نفت خام به پالایشگاه ها و تاسیسات ساحلی منتقل می شود که نسبت به فولاد و آهن خورندگی دارد. در پالایشگاه ها برای کارآیی آنها مقادیر بسیار زیادی آب خنک کننده مورد نیاز است که برای این کار از آب دریا نیز استفاده می شود که بسیار خورنده است، به طوریکه خطوط ورودی، کندانسورها و کولرها همگی نیاز به محافظت ویژه در برابر خوردگی دارند.

عملیات و پوششهای سطحی که در این فصل شرح داده می‌شوند، فقط برای افزایش مقاومت سایشی سطح فولادها هستند. این عملیات و پوششها نمی‌توانند از ابزارها و قالبهایی که دارای طراحی ضعیف هستند، به درستی عملیات حرارتی نشده‌اند و یا جنس آنها مناسب نیست، محافظت نمایند و دیگر عیوب فولاد را بپوشاند.

پوششهای سطحی باید یک زیرکار صلب و محکم به عنوان تکیه‌گاه داشته باشند. همچنین باید نوع فولادی که به عنوان یک زیرکار (Substrate) انتخاب می‌شود، مناسب باشد. مثلاً اگر ابزار در معرض ضربه است و باید چقرمه باشد، باید از یک فولاد و هم روش عملیات یا پوششی سطحی با دقت انتخاب شوند، ابزار حاصل در تولید خیلی خوب عمل خواهد کرد. مزایای استفاده از یک ابزار خوب عبارتند از:

· یک روند تولید طولانی و بدون وقفه،

· کاهش نگهداری و تعمیر ابزار و قالب،

· کاهش مصرف مواد روانکار،

· افزایش عمر ابزار و کارآیی آن و

· تولید قطعاتی با کیفیت بالاتر.

برای بهبود هر چه بیشتر توان کاری یک ابزار، مثلاً کاهش سایش در قالبها، کاهش نیاز به مواد روانکار و محافظت از سطح ابزارها، لازم است عملیات سطحی یا پوششهای سطحی (نظیر آبکاری کرم، نیتراسیون یونی، نفوذ حرارتی و غیره) بر روی ابزارها و قالبها اجرا گردد.

عملیات سطحی نباید بر روی قطعاتی که دارای عیوب ساختاری هستند و با دقت ساخته نشده‌اند، انجام شوند، زیرا این عملیات نمی‌تواند اینگونه عیوب و ضعفها را برطرف کند. حتی ممکن است اجرای عملیات سطحی به تشدید عیوب در یک قطعه منجر شود و به علاوه زمان و پول نیز به هدر خواهد رفت. عملیات سطحی باید بر روی ابزارهایی که از فولادهای مرغوب ساخته شده‌اند و شزایط ساخت بهینه‌ای داشته‌اند، انجام شود.

یک زیرساختار محکم
خواص فولاد به کار رفته در یک قالب یا ابزار، که زیرساخت عملیات سطحی آن نیز محسوب می‌شود، در عمر کار آن بیشترین تأثیر را دارد. بنابراین برای اینکه یک زیرساخت، بتواند پایه‌ای مناسب برای اجرای عملیات یا پوششهای سطحی باشد، باید کیفیتهای زیر را احراز کند:

· دارای طراحی خوبی باشد، یعنی حتی‌المقدور عاری از فرمهای تنش‌زا باشد تا در عملیات حرارتی یا به هنگام تولید دچار ترک و خرابی زودرس نشود،

· از فولاد مناسبی ساخته شده و سطح سختی آن نیز متناسب با نوع فولاد و کاربرد ابزار باشد تا بتواند خواص فیزیکی و متالورزیکی مورد انتظار را برآورده کرده و حداکثر کارآیی را از خد نشان دهد و

· به هنگام عملیات حرارتی، دقت و توجه کافی به جنبه‌هاسی مختلف این عملیات شده باشد، تا علاوه بر سختی، دیگر خواص فیزیکی و متالورژیکی مورد نیاز در آن ایجاد گردد.

بسیاری از ابزارها و قالبها به دلیل وجود عیوب حاصل از طراحی نامناسب، عملیات حرارتی ضعیف و انتخاب فولاد نامناسب، به هنگام تولید خیلی زود از بین می‌روند. البته تجربه نشانداده است که علت اصلی این عیوب، عملیات حرارتی نامناسب بر روی فولاد بوده است. عدم توانایی در حفظ ترکیب شیمیایی سطح فولاد به هنگام گرم کردن، کوئنچ کردن فولاد در حالی که هنوز به قدر کافی گرم نشده است، عملیات تمپرینگ ناکافی و گرم کردن بیش از حد فولاد برای سختکاری از جمله این علل هستند. بنابراین بدون در نظر گرفتن اینکه عملیات سطحی می‌تواند بر کیفیت مقاومت سایشی فولاد بیفزاید، باید ابزار فولاد با دقت و حوصله و در شرایط بهینه عملیات حرارتی شود.

کربن دهی
کربن‌دهی (Carburizing) باعث می‌شود که میزان کربن در سطح فولاد افزایش یابد. برای این کار، ابزار فولادی را در دمایی معادل ۱۷۰۰ oF(927 oC) در معرض یک ماده پرکربن (جامد،‌ مایع یا گازی) قرار می‌دهند تا کربن به سطح فولاد نفوذ کند. پس از کربن‌دهی، ابزار فولادی باید کوئنچ شود. بدین‌ ترتیب سطح فولاد که کربن بیشتری دارد، سخت‌تر از عمق آن خواهد شد و مقاومت سایشی ابزار افزایش خواهد یافت.

نیتراسیون گازی

در عملیات نیتراسیون گازی (Gas nitriding)،‌ قطعه کار در یک کوره با اتمسفر گاز آمونیاک تا دمای ۹۰۰-۱۱۵۰۰F (482-6210C) به مدت طولانی حرارت داده می‌شود. بدین ترتیب در ضخامت کمی از سطح فولاد، نیتریدهایی تشکیل می‌شود که خیلی سخت هستند. ابزارهای نیتروره شده، مقاومت سایشی فوق‌العاده‌ای دارند و سطح آنها کم اصطکاک است، به طوری که از چسبندگی و جوش خوردن آنها به قطعات مجاور جلوگیری می‌شود. مخصوصا در مواردی که سایش فلز بر روی فلز مطرح باشد، استفاده از نیتراسیون مفید خواهد بود. مقاومت در برابر خستگی ابزارهای تیروره شده نیز بالا است.

سیانوره کردن

سیانوره کردن یا غوطه‌ور کردن فولاد در حمام سدیم سیانید در محدوده دمایی ۱۳۵۰-۱۶۰۰۰F (732-8710C) یعنی کمی بالاتر از دمای تبدیل ساختاری فولاد انجام می‌شود. انتخاب دمای حمام بستگی به گرید فولاد دارد. با توجه به نیتریدها در این حمام، یک لایه سطحی بسیار سخت بر روی ابزار فولادی به وجود می‌آید که مقاومت سایشی خیلی زیادی (نزدیک به مقاومت سایشی فولادهای نیتروژه شده) خواهد داشت.

کربونیتراسیون

کربونیتراسیون که سیانوره کرده گازی نیز نامیده می شود، شبیه به عملیات سیانوره کردن است، با این تفاوت که هم کربن و هم نیتروژن به سطح فولاد نفوذ می‌کنند. قطعه کار در یک کوره که اتمسفر آن حاوی هیدروکربنها و آمونیاک است، تا محدوده دمایی ۱۲۰۰-۱۶۵۰۰F (649-8990C) حرارت داده می‌شود. قطعات پس از کربونیتراسیون، کوئنچ و تمپر می‌شوند و یک سطح سخت و مقاوم در برابر سایش پیدا می‌کنند.

سختکاری شعله‌ای

در عملیات سختکاری شعله‌ای سطح ابزار در معرض یک شعله مستقیم و پر حرارت ناشی از سوختن گاز قرار گرفته و دمای آن به سرعت به بالاتر از محدوده تبدیل ساختاری می‌رسد. سپس ابزار سرد می‌شود.

سرعت سرد کردن باید به نحوی باشد که سختی مورد نظر در سطح فولاد به وجود آید. این عملیات، تغییری ترکیب شیمیایی سطح فولاد ایجاد نمی‌کند بلکه باعث می‌شود سختی سطح آن بیشتر از سختی عمق آن می‌گردد. سختی بیشتر سطح باعث افزایش سایشی خواهد شد.

آبکاری گرم

آبکاری گرم یک عملیات پوشش دهی الکترولیتی است که در دمای پایین، تقریبا ۱۴۰۰F(600C) انجام می‌شود و طی آن، یک لایه نازک کرم بر روی سطح ابزار فولادی رسوب می‌کند. لایه کرم، همه سطوح ابزار را می‌پوشاند و در صورتی که از ابزارهای با پوشش کرم به خوبی نگهداری شود، مقاومت سایشی خیلی خوب خواهند داشت. اصطکاک پوشش کرم پایین است و ایجاد آن بر روی قالب‌های کشش باعث می‌شود جریان مواد فلزی بر روی سطوح تخت در حدود ۰٫۰۰۰۵ IN (0.13 MM) و بر روی سطوح منحنی ۰۰۱۵ in (0.025-0.038 mm) 0.0010- می‌باشد. سختی لایه کرم تقریبا ۶۲-۶۴ HRC بعضی از عرضه کنندگان مواد و تجهیزات آبکاری گرم ادعا می‌کنند که سختی لایه کرم آنها در حداکثر این محدوده است.

رسوب‌دهی بخار فیزیکی یا PVD

PVD یک روش ایجاد پوشش‌های سخت بر روی ابزارها در خلاء و دمای پایین است. ابزارها را در راکتور دستگاه قرار داده شده و محفظه راکتور از هوا تخلیه می‌شود تا در آن خلاء نسبی به وجود آید. با تخلیه الکتریکی و تشکیل پلاسمای حاوی یونهای تیتانیم و نیتروژن می‌توان یک پوشش Tin به روش PVD بر روی ابزاها نشاند. یونهای تیتانیم در اثر فرایندهای تبخیر واکنشی فعال و پاشش واکنشی به وجود می‌آید. انرژی مورد نیاز برای ایجاد واکنشهای شیمیایی مورد نیاز از طریق یک میدان الکتریکی پر انرژی تامین می‌شود.

سطوحی که باید پوشش کاری شوند در راستای منبع ایجاد پوشش قرار داده می‌شوند. برای این منظور، ابزارها باید درون محفظه راکتور قرار گیرند. چنانچه قسمت‌هایی از ابزار نیاز به پوشش کاری نداشته باشد، باید با استفاده از ماسک مخصوص آن قسمت‌ها را جدا پوشاند. به روش PVDمی‌توان از جنس تیتانیم نیترید، تیتانیم کربونیترید، کرم نیترید و کرم کارباید بر روی ابزار ایجاد کرد. ضخامت پوشش‌های PVD تقریب ۰٫۰۰۰۰۸-۰٫۰۰۰۲۰ in می‌باشد. با توجه به این که عملیات PVD در دمای پایین (دمایی به مراتب پایین‌تر از محدوده تمپرینگ اغلب فولادها) انجام می‌‌شود، لازم نیست عملیات حرارتی دیگری بر روی ابزار انجام شود. پوشش دادن ابزارهایی که تلرانس ابعادی دقیقی دارند، به روش PVD نسبت به روش CVD ازجحیت دارد. روش PVD معمولا برای پوشش کاری ابزارهای برشی استفاده می شود.

رسوب‌دهی بخار شیمیایی یا CVD

روش پوشش دهی CVD در حال حاضر رایج‌ترین فرایند برای بهبود کیفیت سطوح ابزارها، در بین تولیدکنندگان است. در این روش قطعه کار درون محفظه یک راکتور قرار گرفته و تا دمای ۱۸۵۰-۲۰۰۰۰F(1010-10930C) حرارت داده می‌شود. گازهای موجود در فضای راکتور شامل عناصری هستند که باید به صورت پوشش بر روی ابزار رسوب کنند. این گازهای تحت شرایط کنترل شده به راکتور وارد می‌شوند. ضخامت پوشش CVD خیلی کم و در حدود ۰٫۰۰۰۲۴ -۰٫۰۰۰۴۰ in (6-10m) است. با این روش می‌توان پوشش‌هایی از جنس Al2O3, TINC, TIC, TIN و گاهی چند لایه مختلف از این مواد را بر روی ابزار به وجود آورد. پوشش CVD مخصوصا برای ابزارهایی مناسب است که در معرض تنشهای فشاری سنگین قرار می‌‌گیرند مثلا قالبهای اکستروژن، فرم دادن و کشش.

با توجه به دمای بالا به هنگام پوشش دهی CVD لازم است ابزارهای فولادی پس از پوشش کاری مجددا عملیات حرارتی شوند تا سختی مورد نیاز در فولاد زیر ساخت به وجود آید و ساختار فولاد نیز از نظر متالورژیکی بازیابی گردد.

نفوذ حرارتی

عملیات سطحی نفوذ حرارتی یک عملیات اصلاح سطوح ابزاها در دمای بالا است که باعث ایجاد یک لایه سطحی کاربایدی بر روی مداد دارای کربن نظیر فولادها، آلیاژهای نیکل، آلیاژهای کبالت و سمنتد کاربایدها می شود. میزان کربن ماده زیرساخت باید حداقل ۰٫۳% باشد. ضخامت لایه نفوذی ۰٫۰۰۰۱-۰٫۰۰۰۸ in (2.5-20 است. ابزارهایی که عملیات نفوذ حرارتی بر روی آنها اجرا می‌شود، دارای سختی سطحی بالا و مقاومت عالی در برابر سایش و خوردگی می‌شوند و سطح آنها اثر ضد چسبندگی خواهد داشت.

برای اجرای این فرایند قطعه کار درون یک حمام نمک مذاب با دمای ۱۶۶۰-۱۹۰۰۰F(904-10380C) فرو برده می‌شود. عناصر کاربایدساز موجود در حمام نمک با اتمهای کربن موجود در ماه زیر ساخت ترکیب شده و لایه کاربایدی را به وجود می‌آوردند. با توجه به عناصر کاربایدساز موجود در نمک می‌توان لایه‌های کاربایدی مختلف نظیر وانادیم کارباید، نیوبیم کارباید را بر روی سطح ابزار ایجاد کرد. پس از این عملیات قطعه کار در هوا کوئنچ و سپس تمپر می شود. فولادهایی که دمای آستنیته کردن آنها از حداکثر دمای فرایند نفوذ حرارتی (یعنی ۱۰۳۸۰cیا ۱۹۰۰۰c) بالاتر باشد. معمولا برای این عملیات مناسب هستند. انجام عملیات حرارتی در کوره خلاء یا حمام نمک، پس از عملیات نفوذ حرارتی ضروری است.

نیتروکربوره کردن فریتی

عملیات نیتروکربوره کردن فریتی یک عملیات سختکاری سطحی با عمق نسبتا زیاد است که می‌توان آن را در کوره‌های با اتمسفر کنترل شده و یا در کوره‌های با بستر روان انجام داد. لایه سخت شده بر روی ابزار به واسطه ترکیب نیتروژن، آمونیاک و گازهای هیدروکربنی با سطح ابزار ایجاد می‌شود و سختی این لایه حداقل ۷۰ HRC می‌باشد که بسیار مقاوم در برابر سایش خواهد بود. این عملیات در دمای نسبتا پایین ۶۰۰-۱۲۰۰ ۰F(316-4690c) اجرا می‌شود.

در صورتی که این فرایند به صورت نرمال انجام شود ضخامت لایه سخت شده ۰٫۰۰۳-۰٫۰۰۵ in (0.08-0.13 mm) خواهد بود. با اجرای سیکل دو مرحله‌ای ضخامت لایه به .۰۰۱۰-۰٫۰۱۵ in (0.25-0.38 mm) افزایش می‌یابد. تغییرات ابعادی برای یک سیکل نرمال تقریبا( ۰٫۰۰۰۱-۰٫۰۰۰۲ in (2.5-5 برای هر طرف می باشد.

تمپرینگ برودتی عمیق (DCT)

در عملیات تمپرینگ برودتی عمیق یا DCT ابزارها و قالب‌ها در معرض دماهای به شدت پایین در حد ۳۰۰۰F (-1840C) یعنی دمای نیتروژن مایع قرار داده می‌شوند. عملیات برودتی در دماهای ۱۲۰۰F (-840C) انجام می‌گیرد.

تجهیزات DCT می‌توانند یک عملیات برودتی خشک تحت کنمترل را تدارک ببینند. به عبارت دیگر این فرایند بر اساس یک جدول زمانی دقیق از پیش تعیین شده اجرا می شود. سرعت سرد کردن، نگهداری در دمای فرایند و گرم شدن قطعه کار توسط کامپیوتر کنترل می‌گردد.

مزیت اصلی این عملیات، بهبود مقاومت سایشی ابزارها است. این عملیات نه تنها بر روی سطح، بلکه در عمق قطعه کار نیز تاثیر دارد. بنابراین خواص ایجاد شده در ابزار، در اثر سنگ‌زنی و سایش سطح نیز از بین نمی‌رود. این خواص به علت تبدیل کامل آستنیت باقی مانده در فولاد به مارتنزیت و اشباع کاربایدهای ریزدانه که باعث افزایش استحکام و چقرمگی و ثبات ابعادی نیز می‌شود. طبق گزارشات تهیه شده، این عملیات سطحی باعث بهبود خواص کلی همه فولادهای ابزار سختکاری شده می‌شود (البته به جز فولادهای سخت شونده در آب) این فرایند بر روی ابزارهای کاربایدی، فولادهای ریخته‌گری شده و چدنها نیز با موفقیت اجرا شده است.

یون نشانی

یون نشانی عبارت است از وارد کردن اتمهای عناصر آلیاژی به داخل لایه سطحی قطعات فلزی. در این فرایند،؛ اتمها شتاب داده می‌شوند تا انرژی زیادی پیدا کرده و بتوانند به لایه سطحی فلز تا عمق ( (۰٫۰۱-۱ ۰٫۴۰۰-۳۹٫۴۰ نفوذ کنند. این عمق نفوذ بستگی به انرژی اتمی دارد. بدین ترتیب یک لایه نازک آلیاژی بر روی سطح قطعه کار ایجاد می‌شود.

یون نشانی در محیط خلاء و دمایی پایین انجام می‌شود فقط در اثر تصادم اتمهای پر انرژی با اتم‌های فلز زیر ساخت، مقداری حرارت به وجود می‌آید. حداکثر دمای قطعه کار به ندرت از ۴۰۰۰F (2040C) فراتر می رود و این حرارت را می توان با کنترل شدت یون نشانی کاهش داد.

اتمهای آلیاژ مورد نظر به داخل سیستم یون‌ساز وارد شده و در ان جا در اثر تخلیه الکتریکی به یون تبدیل می‌شوند. اگر عنصر یون ساز به صورت گاز باشد (همانند نیتروژن) گاز پس از خلوص به سیستم یون‌ساز تغذیه می‌گردد. اگر این عنصر جامد باشد (همانند کرم) ابتدا باید به صورت بخار درآمده و سپس به یون تبدیل شود. برای شتاب دادن یونها از ولتاژ بالا استفاده می‌شود.

یون نشانی را می‌توان بر روی سطوح اغلب ابزارها و مخصوصا قالب‌های فرم اجرا نمود. نیتروژن رایج‌ترین عنصر مورد استفاده به عنوان یون می‌باشد. ابزارهای یون نشانی شده با نیتروژن دارای سطحی مقاوم در برابر سایش و با سختی بالا (۸۰-۹۰ HRC) است که می‌تواند خواص خود را تا دمای کاری حداکثر ۶۰۰۰F (3160C) حفظ نماید.

در قطعات یون نشانی شده اعوجاج حرارتی، ذوب موضعی و دیگر اثرات پس ماند که در عملیات حرارتی به وجود می‌آید، دیده نمی‌وشد. این فرایند را نمی‌توان به خوبی بر روی قطعات با فرم‌های هندسی پیچیده اجرا کرد.

یون نشانی با منبع پلاسما یا PSLL

یون نشانی با منبع پلاسما یک روش جدید است که در دمای پایین اجرا می‌شود و می‌تواند یک لایه سخت و مقاوم در برابر سایش بر روی سطوح قطعات با فرم‌های هندسی پیچیده به وجود آورد. قطعه کار در یک محفظه خلاء قرار می‌گیرد که در آن یک جریان پلاسما حاوی ماده پوشش برقرار شده است. قطعه کار به یک منبع ولتاژ قوی پالسیی با بار منفی وصل می‌شود. در نتیجه یونها که بار مثبت دارند، به طرف سطح قطعه کار شتاب می‌گیرند و با سرعت به آن برخورد می‌کنند. نفوذ یونها به داخل لایه سطحی باعث تغییرات شیمیایی و ریزساختاری در فولاد، متناسب با نوع یون جذب شده می‌شود.

روش Psll در واقع یک نوع پوشش کاری نیست، بلکه ترکیبی از بارورسازی فلز زیرساخت و یک لایه سطحی کامل شده می‌باشد. در واقع لایه سطحی و فولاد لز زیرساخت، واحد و یکپارچه هستند. به علاوه روش PSll یک عملیات نیست بلکه ترکیبی از چند عملیات است که همگی در دمای محیط انجام می‌شوند.

نیتراسیون یونی

در عملیات نیتراسیون یونی نیز یک لایه سطحی نیتریدی سخت بر روی ابزار ایجاد می شود. در این عملیات از تخلیه الکتریکی تابشی برای تولید یونهای نیتروژن و گسیل آنها به طرف سطح برای نفوذ در قطعه فلزی استفاده می‌گردد. این عملیات در واقع یک فرایند حرارتتی شیمیایی است که در یک کوره خلاء و با به کارگیری انرژی الکتریکی قوی برای ایجاد یک جریان پلاسما، اجرا می‌شود. جریان پلاسما باعث جدایش مولکولها و شتاب دادن آنها به طرف سطح قطعه کار می‌گردد. این مولکولها در برخورد با سطح، باعث تمیز کردن آن و به وجود آمدن نیتروژن فعال برای نفوذ در سطح می‌شوند. عمیق نفوذ نیتروژن در فرایند نیتراسیون یونی .۰۰۵-۰٫۰۲۰ in (0.13-0.5 mm) و سختی سطحی حاصله در حدود ۶۰-۶۵HRC خواهد بود.

لایه نیتروره شده، مقاوم به سایش، خستگی و خوردگی است و در برابر خراش نیز مقاومتی عالی دارد. در صورتی که زبری میکروسکوپی این سطح کمی بیشتر باشد، با نگهداشتن مواد روانکار در خود، سطحی لغزنده به وجود می‌آورد. دمای اجرای این فرایند نسبتا پایین است(۳۷۱-۶۴۹۰c معادل (۷۰۰-۱۲۰۰۰F و نسبت به عملیات نیتراسیون معمولی، اعوجاج کمتری در قطعات به وجود می‌آورد.

رسوب‌دهی میکروپلاسما

رسوب‌دهی میکروپلاسما فرایندی برای ایجاد پوشش‌های سخت با ترکیبات متنوع بر روی ابزارها است که رایج‌ترین این پوشش‌ها از جنس تنگستن کارباید و کرم کارباید هستند. این فرایند، اسپری حرارتی پلاسما نیز نامیده می‌شود.

در این عملیات عناصری که قرار است به عنوان پوشش استفاده شوند، به شکل پودر به درون یک جریان پلاسمای پر سرعت وارد شده، به فرم نیمه ذوب در می‌آیند و به طرف قطعه کار شتاب گرفته، با سرعت تقریبی ۸۰۰۰ft/sec(2.4km/sec) به سطح ابزار برخورد می‌کنند. در حالت عادی ضخامت پوشش ۰٫۰۰۰۵-۰٫۰۰۱۵ in (0.013-0.038mm) و سختی آن (برای پوشش‌های تنگستن کارباید و کرم کارباید) در حدود ۶۶ HRC می‌باشد.

اگر چه مواد پوشش به صورت نیمه‌ ذوب شده به قطعه کار برخورد می‌کنند، ولی دمای سطح در این فرایند فقط تا اگر چه مواد پوشش به صورت نیمه ذوب شده به قطعه کار برخورد می‌کنند، ولی دمای سطح در این فرایند فقط تا ۱۵۰۰F (6600C) افزایش می‌یابد. ابزارهای پوشش داده شده به این روش، بر اساس نیازهای مشتری، ممکن است با سطحی مات یا پولیش شده کامل عرضه شوند. قبل از اجرای این فرایند پوشش‌کاری، سطحی ابزار باید به روش سندبلاست با مواد خاصی، آماده‌سازی گردد.

پوشش‌کاری CVD به کمک پلاسما

فرایند پوشش کاری CVDبه کمک پلاسما برای پوشش دادن سطوح ابزارها با کربن آمورف شبه الماس به کار می‌رود. همانن روش PVD در فرایند CVD به کمک پلاسما نیز از تجهیزات با خلاء زیاد استفاده می‌شود. این عملیات با تخلیه الکتریکی فرکانس بالا آغاز می‌شود. در ابتدای عملیات، فضای کوره دارای گاز آرگن است و سطح قطعه کار با تخلیه الکتریکی تمیز شده و فعال می‌گردد. سپس اتمسفر کوره از آرگن تخلیه و به جای آن مخلوطی از هیدروکربنها و هیدروژن شارژ می‌شود. اختلاف جنبششی یونهای مثبت و الکترونهای منفی و اختلاف پتانسیل بین این یونها و سطح قطعه کار باعث ایجاد یک پلاریزاسیون منفی در قطعه کار شده و در نتیجه یونها به سمت سطوح قطعه کار شتاب می‌گیرند.

میزان انرژی اعمالی در این فرایند، تعیین کننده وضعیت و کیفیت پوشش خواهد بود. اگر انرژی اعمالی کم باشد، پوشش به صورت نرم و پلیمر مانند می‌شود. اگر انرژی خیلی زیاد باشد، پوشش گرافیت مانند به وجود می‌آید. بنابراین برای ایجاد یک پوشش کربنی شبه الماس، سخت و آمورف، لازم است که کنترل دقیقی بر روی پتانسیل DC فشارهای جزیی و شدت جریان گاز در کوره به عمل آید.

فرم هندسی ابزار نیز بر کیفیت پوشش موثر است. معمولا برای هر قطعه کار با فرم خاص، از یک فیکسچر خاص باید استفاده شود. با توجه به این که عناصر جذب شده در سطح قطعه کار، همگی از گازهای موجود در اتمسفر کوره جدا شده اند، ضخامت پوشش نهایی بسیازی یکنواخت خواهد بود. دمای اجرای این فرایند پایین است و بنابراین می‌توان قطعاتی از جنس آلیاژهای آلومینیوم، تیتانیم و حتی پلاستیکها را نیز با این روش پوشش داد. توان پرتاب یونها در این فرایند به شدت و فرم هندسی تخلیه الکتریکی بستگی دارد.

پوشش کربنی شبه الماس امورف حاصل از این فرایند دارای سختی بالا و ضریب اصطکاک بسیار پایین است و مقاومت در برابر خوردگی بالایی در تماس با اسیدها، قلیاها و حلالها دارد.