نیتراسیون

نیتراسیون

نیتراسیون یک فرآیند ترموشیمیایی سختکاری سطحی است که شامل وارد کردن نیتروژن به لایه سطحی اجزای فولادی است. این فرآیند معمولاً با قرار دادن فولاد در معرض جوی غنی از نیتروژن در دماهای بالا به دست می‌آید. نیتراسیون خواص سطحی مواد را افزایش می‌دهد و در نتیجه، سختی، مقاومت در برابر سایش و استحکام خستگی را بهبود می‌بخشد. نایترایدینگ به طور گسترده برای بهبود عملکرد و طول عمر قطعات فولادی در کاربردهای مختلف صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

نیتراسیون باعث وارد شدن نیتروژن به سطح فولاد در دمای پایین‌تری نسبت به کربوراسیون می‌شود. در این فرآیند از دمای 500-550°C استفاده می شود. از آنجایی نیتروره کردن شامل عملیات آستنیته و کوئنچ نمی‌شود، قطعات نیتراته شده حداقل اعوجاج و کنترل ابعادی خوبی را ارائه می‌دهند. در بیشتر کاربردهای تجاری، لایه سطحی تا 200-300 میکرومتر ضخامت دارد و به ندرت از 600 میکرومتر بیشتر می شود.

نیتراسیون یک محلول جامد با فریت با محتوای نیتروژن تا 6 درصد تشکیل می‌دهد. در غلظت نیتروژن بیش از 6 درصد، (گاما پرایم) با ترکیبی از Fe₄N تشکیل می شود. در محتوای نیتروژن بیشتر از 8 درصد، محصول تعادلی ε با ترکیب Fe₃N تشکیل می شود. به طور کلی، لایه‌های سطحی نیتراته شده به لایه‌هایی تقسیم می‌شوند که لایه بیرونی آن و لایه داخلی ε است. لایه بیرونی اغلب به عنوان “لایه سفید” نامیده می‌شود. این لایه سطحی گاها نامطلوب است زیرا سخت است، اما بسیار شکننده است.

برای نیتراسیون گازی، اولین واکنش تجزیه آمونیاک است که برای تشکیل نیتروژن به منظور نفوذ در فولاد انجام می‌شود:

ضخامت و خواص قطعه به مقدار عناصر تشکیل دهنده نیتریدی در فولاد بستگی دارد. با افزایش محتوای آلیاژی، سختی قطعه نیز افزایش می یابد. با این حال، افزودن عناصر آلیاژی نیز نفوذ نیتروژن را کندتر می‌کند و در نتیجه زمان فرآیند را افزایش می دهد. شکل زیر زمان‌های فرآیند نیتراسیون گازی را برای دستیابی به عمق مورد نظر نشان می دهد.

زمان فرآیند نیتراسیون برای دستیابی به عمق نفوذ متفاوت

فولادهای قابل نیتراسیون، فولادهای کربن متوسطی هستند که حاوی عناصر قوی تشکیل دهنده نیترید مانند آلومینیوم، کروم یا مولیبدن هستند. بیشترین سختی با 1 درصد آلومینیوم حاصل می شود. این فولادها معمولاً قبل از نیتراسیون تحت عملیات سختکاری حجمی قرار می‌گیرند.

فرآیند نیتراسیون به روش‌های نیتراسیون گازی، حمام نمک و پلاسما صورت می‌گیرد. بسته به عمق موثر مورد نظر، زمان‌های فرآیند نیتراسیون گازی می‌تواند نسبتاً طولانی باشد. فرآیند نیتراسیون پلاسما به دلیل اشباع سطح با نیتروژن و در نتیجه نفوذ سریعتر، فرآیند سریع تری می‌باشد.

عمق کل قطعه اغلب به عنوان ناحیه اچ تیره در سطح مقطع تعریف می شود که به صورت متالوگرافی تعیین می‌گردد. برای آلیاژهایی که تغییر شدید بین فلز پایه و ناحیه نفوذ نشان نمی دهند، عمق نفوذ به عنوان سطحی که در آن سختی 10 درصد بیشتر از سختی هسته است، تعریف می‌شود.

فرآیندهای نیتراسیون

نیتراسیون پلاسما

در نیتراسیون پلاسما (یونی)، قطعات در خلاء پردازش می شوند. قطعات با ولتاژ بالا شارژ الکتریکی می‌شوند و نیتروژن وارد محفظه می‌شود. یک پلاسما به دلیل اختلاف ولتاژ(پتانسیل ولتاژ) تشکیل می شود و این اختلاف ولتاژ باعث می شود که اتم های نیتروژن مجزا شتاب گرفته و بر قطعه تاثیر بگذارند. این فرآیند قطعه را گرم می کند، سطح را تمیز می کند و نیتروژن جذب قطعه می شود. از طریق کنترل پلاسما می‌توان به طور انتخابی قسمت هایی را برای نیتراسیون پوشاند. همچنین یک میدان تنش پسماند فشاری مفید در سطح قطعه، مقاومت در برابر خستگی را افزایش می‌دهد. این فرآیند اعوجاج را کاهش می دهد و کنترل عمق نفوذ، ترکیب شیمایی و یکنواختی را فراهم می کند.

نیتراسیون حمام نمک مذاب

نیتراسیون حمام نمک مذاب امروزه هنوز هم فرآیند قابل اتکایی است، اما به دلیل نگرانی های زیست محیطی استفاده از این روش کاهش یافته است. در این فرآیند، در دماهایی مانند نیتراسیون گازی، از حمام مذاب نیتروژن حاوی نمک حاوی سیانید یا سیانات استفاده می شود. به دلیل انتقال حرارت یکنواخت نمک مذاب و دمای پایین‌تر عملیات پایداری ابعادی قطعه بیشتر حفظ می‌شود. نیتراسیون نمک مذاب به دلیل پتانسیل نیتروژن بالاتر حمام در مقایسه با نیتراسیون گازی سریع‌تر است.

نیتراسیون گازی

نیتراسیون گازی از آمونیاک تجزیه‌شونده در فرآیند تک مرحله ای یا دو مرحله ای استفاده می کند. در فرآیند تک مرحله‌ای، قطعات در دمای 495°C-525°C برای مدت زمان معین پردازش می‌شوند. این فرآیند یک لایه نیتریدی سفید ترد نیز در سطح تولید می کند. فرآیند Floe که یک فرآیند دو مرحله ای است، مقدار لایه سفید را کاهش می‌دهد. مرحله اول مشابه نیتراسیون تک مرحله ای انجام می شود، در حالی که مرحله دوم در دمای بالاتر 550-565 درجه سانتی گراد انجام می‌پذیرد.

در جدول مقایسه مختصری از فرآیندهای مختلف نیتراسیون آورده شده است.

فرآیند	دما	عمق نفوذ	سختی(HRC)	ویژگی فرآیند
نیتراسیون گازی	480-590°C	m-0.75mm125μ	50-70	بیشترین سختی حاصل بین فرآیندها، کوئنچ نیاز نیست، اعوجاج کم، فرآیند تقریبا کند
نیتراسیون حمام نمک	510-565°C	m-0.75mm2.5μ	50-70	معمولا برای موارد نازک‌تر است، تقریبا بدون لایه سفید. بیشتر برای فرآیندهای اختصاصی
نیتراسیون پلاسما	340-565°C	m-0.75mm75μ	50-70	سریعتر از نیتراسیون گازی، لایه سفید کم‌تر، هزینه تجهیزات بالا،

همه فولادها برای نیتراسیون مناسب نیستند، زیرا این فرآیند روی فولادهایی با عناصر آلیاژی خاص مؤثرتر است. در اینجا چند نوع فولاد که معمولاً برای نیتراسیون استفاده می شود آورده شده است:

۳. سری AISI 51XX فولاد کروم دار

مثال‌ها: AISI 5115، AISI 52100
فولادهای کروم‌دار به سختی پذیری معروف هستند و برای نیتراسیون مناسب هستند. به عنوان مثال، AISI 52100 یک فولاد بلبرینگ است که معمولاً برای بهبود مقاومت در برابر سایش نیتراسیون می شود.

۲. سری AISI 31XX فولاد زنگ نزن

مثال‌ها: AISI 316، AISI 310
نیتراسیون فولادهای زنگ‌نزن معمولاً با استفاده از فرآیند نیتراسیون انجام می شود. این فولادها علاوه بر بهبود سختی سطح، مقاومت در برابر خوردگی نیز دارند.

۱. سری AISI 41XX فولادهای کروم-مولیبدن

مثال: ‌AISI 4140، AISI 4340
این فولادها حاوی کروم و مولیبدن هستند که سختی و استحکام خوبی دارند. آنها اغلب برای کاربردهایی استفاده می شوند که به استحکام و دوام بالا نیاز دارند.

۵. فولاد ابزار

مثال ها: H13، D2
برخی از فولادهای ابزار مخصوصاً آن‌هایی که برای عملیات در دمای بالا یا پایین استفاده می شوند را می‌توان برای افزایش خواص سطحی آنها نیتراسیون کرد. این فرآیند

۴. سری AISI 86XX فولادهای نیکل-کروم-مولیبدن

مثال: AISI 8620
این فولادها با ترکیبی از نیکل، کروم و مولیبدن، استحکام هسته خوبی را ارائه می دهند و برای نیتریدینگ مناسب هستند. AISI 8620 اغلب برای قطعاتی که نیاز به یک هسته سخت با سطح سخت شده و مقاوم به سایش دارند استفاده می شود.

توجه به این نکته مهم است که الزامات خاص کاربرد و خواص مورد نظر بر انتخاب فولاد برای نیتراسیون تأثیر می گذارد. علاوه بر این، فرآیند نیتراسیون ممکن است متفاوت باشد، از جمله نیتراسیون گازی، نیتراسیون حمام نمک یا نیتراسیون پلاسما، که هر کدام برای انواع مختلف فولاد و کاربردهای آن مناسب هستند. در ادامه همین مبحث این نکته بسیار مهم است که همواره با کارشناسان متالورژی یا متخصصان نیتراسیون مشورت کنید تا مناسب ترین فرآیند فولاد و نیتراسیون را برای نیازهای خاص خود تعیین کنید.

مجموعه عملیات حرارتی سایا با بهره‌گیری از نیروهای متخصص و دانش فنی به‌روز و تجهیزات کامل و پیشرفته در زمینه فرآیندهای نیتراسیون و مشاوره تخصصی در این حیطه آماده ارائه خدمات و همکاری با صنایع مختلف می‌باشد.