بسیاری از انواع روش‌های عملیات حرارتی در صنعت استفاده می‌شوند تا فلزات برای کاربردهای مختلف مناسب‌تر شوند.
در این مقاله، ما به بررسی یک فرآیند عملیات حرارتی سطحی ترموشیمیایی می‌پردازیم که با افزایش غلظت نیتروژن در سطح فلز، سطح خارجی آن را سخت‌تر می‌کند.
نیتروژن دهی چیست؟
نیتروژن‌دهی یک نوع فرآیند سختکاری سطحی است که با افزودن نیتروژن به سطح قطعه، لایه خارجی آن را سخت می‌کند. نیتروژن افزوده شده با آهن و دیگر عناصر آلیاژی در ترکیب فلز ترکیب می‌شود تا نیتریدهای فلزی سخت را تشکیل دهد.
از آنجایی که نیتروژن تنها به عمق مشخصی می‌رسد، قطعه خواص اصلی خود را حفظ کرده و نسبتاً نرم‌تر باقی می‌ماند. از طریق فرآیند نیتروژن‌دهی می‌توان به سختی سطحی نهایی تا 76 HRC (90 HRA) دست یافت. ضخامت لایه سختی (عمق سختی) معمولاً 200-300 میکرومتر (0.0002 متر) است اما در برخی کاربردها می‌تواند تا 2 میلی‌متر باشد. می‌توان این عمق را با تغییر عواملی مانند مدت زمان تماس، دمای نیتروژن‌دهی، جریان گاز و غیره کنترل کرد.
فرآیند نیتروژن‌دهی یک لایه ترکیبی ایجاد می‌کند – یک لایه سفید به عنوان لایه خارجی با یک منطقه نفوذی در زیر آن. منطقه نفوذی شامل نیتروژن جذب شده و همچنین رسوبات نیترید سخت است. نیتروژن‌دهی در دماهایی پایینتر از دمای آستنیتی شدن فولاد انجام می‌شود. تشکیل آستنیت در دمای 727 درجه سانتیگراد (1340 درجه فارنهایت) برای فولاد کربنی ساده آغاز می‌شود اما برای فولادهای آلیاژی بسته به ترکیب متفاوت است.
بنابراین، نیتروژن‌دهی معمولاً در دمایی بین 500 تا 550 درجه سانتیگراد (930 تا 1022 درجه فارنهایت) و تا حداکثر دمای 620 درجه سانتیگراد (1150 درجه فارنهایت) انجام می‌شود. فرآیند نیتروژن‌دهی ممکن است از 4 تا 100 ساعت طول بکشد. پس از 100 ساعت، ضخامت لایه با نرخ بسیار کندی افزایش می‌یابد که این فرآیند را غیرعملی می‌کند.
کاربرد نیتروژن دهی
نیتروژن‌دهی برای همه انواع فولادها استفاده نمی‌شود. می‌توان آن را برای فولادهای کربنی ساده استفاده کرد، اما به طور کلی برای فولادهای آلیاژی کم‌کربن که دارای عناصر تشکیل‌دهنده نیترید مانند آلومینیوم، مولیبدن و کروم هستند، ترجیح داده می‌شود. این عناصر به سخت‌شدن رسوبی کمک می‌کنند.
علاوه بر فولادها، نیتروژن‌دهی نتایج خوبی نیز برای آلیاژهای تیتانیوم، مولیبدن و آلومینیوم فراهم می‌کند.
مزایای نیتروژن دهی
نیتروژن‌دهی مزایای زیادی نسبت به روش‌های سختکاری سطحی محبوب مانند کربوریزه کردن دارد. برخی از مزایای استفاده از نیتروژن‌دهی عبارتند از:
- دمای پایینتر
فرآیند نیتروژن‌دهی در دمای حدود 550 درجه سانتیگراد (1022 درجه فارنهایت) کار می‌کند که بسیار پایینتر از دماهای فرآیندهای دیگر مانند کربوریزه کردن است. قطعات نیتروژن‌دهی شده در نهایت، دچار تغییر شکل و اعوجاج کمتری می‌شوند و کنترل ابعادی بسیار خوبی ارائه می‌دهند.
- سختی سطح بالا با هسته انعطاف پذیر
قطعات نیتروژن‌دهی شده دارای سطح سخت بالا با هسته انعطاف‌پذیر هستند. ترکیب این خواص، سطح مقاوم در برابر سایش با هسته انعطاف‌پذیر فراهم می‌کند که می‌تواند بارهای ضربه‌ای را بسیار بهتر از مواد سخت تحمل کند.
بنابراین، می‌توان قطعات نیتروژن‌دهی شده را در کاربردهایی که بارهای ضربه‌ای به همراه قرار گرفتن در معرض سایش یا اصطکاک وجود دارد، بدون نگرانی از شکست ناگهانی تحت بارهای بالا استفاده کرد.
- مقاومت به خوردگی بالا
فرآیند نیتروژن‌دهی مقاومت به خوردگی برخی از فولادها را بهبود می‌بخشد. لایه سخت نیترید رسوب‌داده شده از تشکیل گودال‌هایی که نهایتاً در یک قطعه درمان‌نشده از طریق خوردگی حفره‌ای خورده می‌شوند، جلوگیری می‌کند. برای دستیابی به حداکثر مقاومت به خوردگی، لایه سفید تشکیل شده پس از فرآیند نیتروژن‌دهی باید به صورت سالم حفظ شود.
به عنوان مثال، نیتروژن‌دهی پلاسمایی مقاومت به خوردگی فولاد زنگ‌نزن 410 را بهبود می‌بخشد، زیرا لایه نیترید آهن روی سطح از فلز زیرین در برابر حمله خوردگی محافظت می‌کند.
اما در مواردی وجود دارد که نیتروژن‌دهی نرخ خوردگی را افزایش می‌دهد. به عنوان مثال، زمانی که نیتروژن‌دهی پلاسمایی بر روی فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی X17CrNi16-2 انجام شد، مقاومت به خوردگی آن در واقع کاهش یافت. این عمدتاً به دلیل تشکیل نیترید کروم است که حفاظت اولیه خوردگی ارائه‌شده توسط کروم در محلول جامد را کاهش می‌دهد.
- ویژگی های ضد چسبندگی
نیتروژن‌دهی همچنین می‌تواند ویژگی‌های ضد چسبندگی را به قطعات انتقال دهد. چسبندگی به خوردگی از نوع فرسایشی بین فلزات به دلیل تماس لغزشی اتفاق می‌افتد. فرآیند نیتروژن‌دهی مقاومت قطعات را در برابر چسبندگی افزایش می‌دهد.
- افزایش عمر خستگی
عمر خستگی قطعات فولادی بهبود یافت زیرا نیتروژن‌دهی مقاومت بهتری در محدوده 30 تا 100 درصد را در برخی از کاربردها نشان داده است.
- مقاومت بیشتر در برابر نرم شدن در دمای های بالاتر
لایه سخت کننده ممکن است در دماهای بالاتر شروع به از دست دادن سختی خود کند. این موضوع به طور معمول در فرآیندهایی مانند کربوریزه کردن مشاهده می‌شود. اما نرخ نرم شدن برای نیتروژن‌دهی به طور قابل توجهی پایینتر است.
بنابراین، قطعات نیتروژن‌دهی شده می‌توانند در کاربردهای دمای بالا بدون از دست دادن قابل ملاحظه‌ای در سختی سطحی استفاده شوند.
فرآیند های نیتروژن دهی
فرآیند نیتروژن‌دهی یک فرآیند نفوذ نیتروژن به لایه سطحی فولاد آلیاژی در دماهای بالا است. سه روش اصلی برای انجام این فرآیند وجود دارد. این عبارتند از:
نیتروژن‌دهی گازی (Gas Nitriding)
نیتروژن‌دهی حمام نمکی (Salt Bath Nitriding)
نیتروژن‌دهی پلاسما (Plasma Nitriding)
بیایید به طور مختصر به هر یک از این انواع نگاهی بیاندازیم و بفهمیم که چگونه از یکدیگر متفاوت هستند.
- نیتروژن دهی گازی
در نیتروژن‌دهی گازی، قطعه گرم فلزی درون یک کوره به گاز آنیدرید آمونیاک مورد ارتفاع قرار می‌گیرد. با افزایش دما، آمونیاک تجزیه شده و به نیتروژن و هیدروژن تبدیل می‌شود. نیتروژن به سطح قطعه نفوذ کرده و لایه‌ای بسیار سخت از نیتریدهای فلزی شکل می‌دهد.
بسته به کاربرد، نیتروژن‌دهی گازی ممکن است یک فرآیند یک مرحله یا دو مرحله باشد. تجهیزات مدرن امروزی اجازه دقیق کنترل فرآیند نیتروژن‌دهی گازی را می‌دهند. این فرآیند قابل استفاده برای برنامه‌های تولید انبوه است، زیرا اندازه دسته فقط توسط جریان گاز و اندازه کوره محدود می‌شود.
نیتروژن‌دهی گازی از لحاظ اقتصادی نسبت به روش‌های دیگر، به ویژه نیتروژن‌دهی پلاسما، اقتصادی‌تر است. اما ممکن است طولانی باشد (تا 80 ساعت برای برخی کاربردها). تولیدکنندگان اغلب از نیتروژن‌دهی گازی برای تقویت دنده‌ها در برابر خستگی ناشی از فرسایش تماسی استفاده می‌کنند.
- نیتروژن دهی حمام نمکی
در نیتروژن‌دهی با حمام نمکی، مواد را در یک حمام مایع قرار می‌دهند که شامل نمک‌های مبتنی بر نیتروژن است. با افزایش دما، نیتروژن موجود در نمک وارد سطح قطعه می‌شود. در برخی موارد، نمک ممکن است شامل کربن هم باشد که این فرآیند را به یک فرآیند نیتروکربوریزه تبدیل می‌کند به جای نیتروژن‌دهی.
نیتروژن‌دهی با حمام نمکی اجازه دفع بیشتری از نیتروژن به قسمت داده شده را نسبت به نیتروژن‌دهی گازی در همان مدت زمان می‌دهد. این فرآیند نسبتاً ساده است و سریع‌تر از روش‌های دیگر اجرا می‌شود.
نیتروژن‌دهی با حمام نمکی یک فرآیند محبوب در تولید میله‌های میلگرد، دنده‌ها، ابزارها و قالب‌ها است.
- نیتروژن دهی پلاسما
در نیتروژن‌دهی پلاسمایی، همچنین به عنوان نیتروژن‌دهی یونی شناخته می‌شود، از یونیزاسیون برای وارد کردن نیتروژن به قسمت فلزی استفاده می‌شود. گاز نیتروژن خالص در اطراف زیرپوش فلزی با ایجاد میدان‌های الکتریکی قوی یونیزه می‌شود. یون‌های نیتروژن وارد سطح زیرپوش می‌شوند و نیتریدهای فلزی سخت را شکل می‌دهند.
زیرا فرآیند به یونیزاسیون گاز نیتروژن بستگی دارد، نیازی به دماهای بسیار بالا ندارد. دماهای فرآیند به میزان حداقل 260 درجه سانتیگراد (500 درجه فارنهایت) کافی است برای نیتروژن‌دهی پلاسمایی. پلاسما می‌تواند گرم یا سرد باشد. پلاسمای سرد با استفاده از لوله‌های خلاء تولید می‌شود.
نیتروژن‌دهی پلاسمایی به طور معمول برای سخت‌کردن فولاد استنلس آستنیتیک و استفاده در محصولاتی نظیر ابزارها و قطعات خودرویی، مواد ساختمانی و ابزارهای پزشکی/جراحی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نتیجه گیری
نیتروژن‌دهی می‌تواند یک روش بسیار مؤثر برای به دست آوردن قطعات با سختی بالا باشد که قادر به جایگزینی حتی فولادهای ابزار در بسیاری از کاربردها می‌باشد.
نیتروژن‌دهی به ویژه در فولادهای ضدزنگ تحولات زیادی در طی دهه‌ی گذشته پیدا کرده است. پژوهش‌ها باعث بهبود درک و کاهش هزینه این فرآیند شده و کنترل دقیقی را بر آن فراهم آورده‌اند. با اینکه نیتروژن‌دهی در صنعت به طور گسترده استفاده می‌شود، انتظار می‌رود که در دهه آینده از آن به طور بیشتری استفاده شود.