Navigation



فرایندهای نیتراسیون و تاثیرات آنها بر ساختار و خواص

ساختار و خواص لایه های نیتریدی به تکنولوژی فرایند مورد استفاده برای انجام عملیات وابسته است.اگرچه تمام ورژن های گوناگون اساسا بر پایه عناصر ساختاری مشابهی هستند ،تفاوت های قابل توجهی بین نتایج عملیات گازی ،حمام نمک و پلاسما است.این تفاوتها به صورت مختصر و مفید در ادامه بیان می شود:

• دمای عملیات در فرایندهای گازی ،پلاسما و حمام نمک متفاوت است چرا که هدف فرق می کند. نیتراسیون گازی (شامل نیترو کربورایزینگ نمی شود) و نیتراسیون پلاسما معمولا در دمای 500 تا 520 درجه سانتیگراد (930 تا 970 درجه فارنهایت)انجام می شود به خاطر اینکه تاکید بر روی لایه نفوذی است. نیتراسیون در حمام نمک ( شامل نیترو کربورایزینگ هم می شود) و نیترو کربورایزینگ گازی در رنج دمایی 560 تا 590 درجه سانتیگراد ( 1040تا 1095 درجه فارنهایت) انجام می شود به منظور ایجاد لایه های نفوذی و ترکیبی. این اختلاف دما بر روی لایه نفوذی تاثیر می گذارد ، چراکه رسوبات نیترید در دمای بالاتر درشت تر هستند و سرعت نفوذ نیز بالاتر است.اگر انجام عملیات در دمای پایین 380 تا 420 درجه سانتیگراد ( 715تا 790 درجه فارنهایت )رخ دهد ،مثلا برای فولاد های زنگ نزن ، تفاوتها حتی از این نیز قابل توجه تر هستند..

• محیط عملیات نیز همچنین در فرایندهای مختلف ، متفاوتند.نیتراسیون گازی ( شامل نیترو کربورایزینگ نمی شود) و نیتراسیون پلاسما دارای محیطی شامل نیتروژن و هیدروژن هستند. در حالیکه در نیترو کربورایزینگ گازی ، اتمسفر و ترکیبات نمک همیشه به خوبی کربن تامین می کنند.

• واکنشهای کینتیک و سرعت در روش های مختلف متفاوتند.

این اختلاف ها در ساختار و خواص لایه ی بدست امده منعکس می شوند. متن حاضر تحلیل مختصری از نتایخ ساختاری در فرایندهای گوناگون است.
نیتراسیون گازی :
در نیتراسیون گازی، نیتروژن اتمی تولید شده بوسیله تجزیه امونیاک یا ترکیب گاز N2 + H2 بر روی سطح فولاد جذب می شود و بیشتر درون بستر پخش می شود. در نتیجه یک ساختار فریتی فوق اشباع تشکیل شده، اما این ساختار پایدار نیست و نیتروژن اضافی به صورت نایتراید رسوب می کند(رفرنس 4.5). وقتی که هیچ عنصر الیاژی تشکیل دهنده نیترید موجود نباشد، این نیترید ها بیشتر به شکل نیترید های آهنی lamellae (Fe4N) ظاهر می شوند(شکل2). حضور عناصر الیاژی تشکیل دهنده نایتراید ، که تمایل بیشتری به واکنش با نیتروژن نسبت به آهن دارند ، از این فرایند جلوگیری می کنند و باعث تولد نیترید های ریز پراکنده در لایه نفوذی می شوند. این نیترید ها باعث افزایشی در سختی و استحکام فولاد می شوند که به موارد زیر بستگی دارد:
• ترکیب شیمیایی فولاد ، یعنی عناصر آلیاژی مشخص و مقادیر نسبی آنها در فولاد
• دمای فرایند و پتانسیل نیتروژن محیط. اگرچه پتانسیل نیتروژن در درجه اول تاثیر گذاری است ، ظاهر و مقادیر غنی از نیتروژن لایه ترکیبی بر روی سطح نیز بر تشکیل نیترید آهن موثر است. معمولا پتانسل نیتروژن توسط درصد امونیاک تجزیه نشده در کوره کنترل می شود. که این کار با تجهیزات پیشرفته می تواند بسیار دقیق و مداوم کنترل شود.به منظور رسیدن به رسوبات نیتریدی ریز ، دمای فرایند می بایست در محدوده 510 تا 520 درجه سانتیگراد (950 تا 970 درجه فارنهایت) باشد.
• ساختار فولاد قبل از نیتراسیون. به منظور کاهش تنش پسماند که باعث تغییر فرم قسمتهای عملیات شده می شود، پیشنهاد میشود قبل از نیتراسیون به ساختار کوینچ – تمپر شده برسیم . این بسیار اهمیت دارد که دمای تمپر حداقل 20 درجه سانتیگراد (40 درجه فارنهایت) بالاتر از دمای نیتراسیون باشد در نتیجه بیشترین پایداری ساختار در بخش های مختلف بدست می آید و به طور کلی تغییر ابعادی بعد از عملیات ظاهر نخواهد شد.
متن زیر این پایداری ابعادی را بررسی میکند.
سیلندرهای بستر سوزنی که قبلا (تااواخر دهه 1970) برای ماشینهای بافندگی حلقوی استفاده می شدند از سیلندرهای فورج شده فولاد آلیاژی ساخته می شدند به همراه یک شیار سوزنی که توسط اسلات های برش بر روی سطح خارجی استوانه سیلندر ایجاد می شدند. قطر این سیلندر ها متفاوت بودند بین 76 تا 1140 میلیمتر(3تا 5/4 اینچ) . و ضخامت دیواره دنده ها گاهی اوقات به کمتر از 1 میلیمتر (04/0 اینچ) میرسید(شکل8). سایش دنده ها در ماشینهای بافندگی دوار سرعت بالا که شامل بارگزاری داینامیک پیچیده در سایش کشویی و خستگی خمشی هستند که دلیل آن حرکت کشویی سوزنها در کانال هاست. روان کاری مشکل است چرا که از الزامات لباس های بافتنی است.( روانکاری مرزی سوزن ها در کانالها انجام می شود ، اما هیچگونه روانکاری هیدرودینامیکی مجاز نیست.) مونتاژ سیلندر، سوزن و دوربین های کنترلی از اهمیت بالایی در ماشین آلات برخوردار است.


به منظور بهبود عمر سرویس دهی و شرایط سرویس دهی مونتاژ ، بخصوص برای کاهش ضریب اصطحکاک سوزن با سیلندر ، نیتراسیون گازی سیلندر انجام می شود. متریال 40MoCr5 که کوئنچ - تمپر شده با سختی 280 تا 300 برینل ( با دمای تمپر 540 تا 550 درجه سانتیگراد یا 1005 تا 1020 درجه فارنهایت). به منظور جلوگیری از ترد شدن دنده ها در حالیکه هنوز سختی سطحی خوبی دارد ، فرایند نیتراسیون می بایست با دقت کنترل شود. لایه نفوذی تا 0.1 میلیمتر مجاز است یا 0.004 اینچ ( اگرچه تفاوتهایی بسته به گیج سیلندر وجود دارد). در نتیجه عملیات در دمای 510 درجه سانتیگراد (950 درجه فارنهایت)، یک لایه سطحی 0.07 تا 0.1 میلیمتری (0.003 تا 0.004 اینچی) ایجاد شده با سختی در بازه 800 تا 860 ویکرز.

اگر چه محدوده تلرانس قطر سیلندر ها بسیار کم است - 1± میلیمتر در قطر 760 میلیمتری(30 اینچی) – هیچ مشکلی در عملیات تعداد بالای سیلندر ها ایجاد نمی شود. حفظ آمونیاک جدا نشده در اندازه 30 تا 35 درصد جلوگیری می کند از تشکیل لایه ترکیبی بجر مقادیر کمی در لبه دنده ها که مشکلی در عملکرد ان ایجاد نمی کند.

فعال شدن سطح در نیتراسیون گازی ممکن است یک مشکل جدی باشد. تعدادی از روش ها شناحته شده اند اما بعضی از انها برای اجرا مشکل سازند( برای مثال: اضافه کردن پلی وینیل کلراید به کوره در اغاز فرایند) یا تاثیری ندارند. مقدار کمی (بیش از 2 درصد) افزودن اکسیژن به اتمسفر کوره تاثیرات مفیدی دارد : اکسیژن به عنوان یک کاتالیست در فرایند عمل میکند از طریق ایجاد اکسیداسیون مختصری در سطح.(رفرنس 13-15و17). تحقیقات گسترده ای انجام شده است تا نشان دهد اکسیژن ضریب واکنش را افزایش می دهد. که در