نیتراسیون

فرآیند نیتروژن دهی معمولا در محدوده دمایی 570-400 درجه سانتی گراد انجام میشود. اگر فلز را در این محدوده دمایی در مدت زمان کافی نگه داریم، نیتروژن به داخل سطح نفوذ می کند. با نفوذ نیتروژن و تشکیل انواع نیتریدها ،لایه سطحی فلز سخت میگردد. بنابراین بعد از عملیات نیتراسیون نیاز به کوئنچ کردن (سرد کردن سریع) نمیباشد. در نتیجه مقاومت سایشی، مقاومت خوردگی و عمر خستگی قطعات صنعتی افزایش می یابد. همه سطوح قابل عملیات حرارتی، قبل از نیتراسیون با آب دهی سخت شده، برگشت دهی میشوند و سپس با ماشین کاری پرداخت میشوند.

روش های نیتروژن دهی

روش های مختلفی برای عملیات نیتروژن دهی وجود دارد که عمدتاً بر اساس محیط نیتروژن دهی ، مدت، دما و نوع ترکیب لایه سطحی، متفاوت هستند. این روش ها عبارتند از:

• روش پودری
• نیتروژن دهی در حمام نمک
• روش گازی
• روش یونی یا پلاسما

روش نیتراسیون پودری امروزه عملا مورد استفاده قرار نمیگیرد. روش نیتراسیون حمام نمک ، عمدتا برای نیتروژن دهی کوتاه مدت بکار میرود. ناگفته نماند، در این روش، عملیات تمیزکاری قطعات بویژه سوراخ ها و چاک ها از نمک، نیاز به نیروی انسانی و هزینه دارد. عیب دیگر روش نیتراسیون حمام نمک ، دمای بالاست (570 درجه سانتی گراد) که دمای بازگشت بسیاری از فولادهای ابزار را افزایش میدهد. امروزه مسائل زیست محیطی مربوط به نیتراسیون حمام های سمی نمک سیانید نیز مطرح است. روش نیتراسیون گازی در دمای کمتری انجام میشود اما از لحاظ زمانی بسیار طولانی است. امروزه بهترین و مدرن ترین روش نیتروژن دهی ، روش های یونی و پلاسماست.

کاربرد روش نیتراسیون

اصولا این روش برای ایجاد سختی سطحی بالا و افزایش مقاومت سایشی و خستگی و بهبود مقاومت خوردگی فولادهای زنگ نزن بکار میرود. از فرایند نیتراسیون بیشتر برای عملیات حرارتی فولادها برای سخت کردن قطعاتی چون چرخ دنده‌ها، میل بادامک، اجزای شیرآلات، مارپیچ اکسترودر، ابزارهای ریخته‌گری دایکست ، ساخت قالب‌ فورج ، اجزای تفنگ، انژکتورها و ساخت قالب‌ تزریق پلاستیک استفاده می‌شود. فرآیند نیتراسیون بیشتر برای فولادهای کم-کربن، کم-آلیاژ استفاده میشود. همچنین، نیتروژن دهی برای آلیاژهای کربن متوسط و کربن بالا، تیتانیوم، آلومینیوم، کروم، وانادیوم و مولیبدن نیز استفاده میشود. این عناصر هنگام جذب اتم نیتروژن در سطح قطعه، نیتریدهای پایدار و سخت، مانند نیتریدهای کروم، نیترید تیتانیوم، نیترید آلومینیوم و غیره تشکیل میدهند. لایه های سطحی فولادهای نیتریده شده سختی بالایی دارند که به دلیل وجود ذرات بسیار ریز و پراکنده نیتریدهای آلیاژی می باشد. نیتروژن لازم برای فرآیند نیتراسیون را با تجزیه گاز آمونیاک یا نمک های سیانیدی بدست می آورند.

مزایای فرآیند نیتروژن دهی

فرایند نیتروژن دهی در مقایسه با دیگر روش های سختکاری سطحی، مزیت هایی دارد:

1. سختی سطح عملیات حرارتی شده با این روش بالاتر بوده و این سختی حتی پس از عملیات حرارتی در دمای 500 درجه سانتی گراد نیز حفظ می شود.
2. لایه های سطحی فلز، نسبت به سایش مقاومت بیشتری خواهند داشت.
3. فلز در نهایت در برابر خستگی مقاومت خوبی از خود نشان می دهد.  
4. مقاومت به خوردگی فلز افزایش می یابد.
5. بعد از انجام عملیات نیتراسیون ، نیاز به عملیات سخت گردانی بعدی وجود ندارد.
6. قطعات سخت کاری شده به روش نیتروژن دهی ، اعوجاج بسیار کمی دارند.

آرکور (پست اکسیداسیون) چیست؟

اگر در فرآیند نیتراسیون ، یک لایه آهن مغناطیسی پیوسته و چگال بر روی سطح نیتریده شده تشکیل شود، مقاومت به خوردگی بسیار بالایی علاوه بر حفظ خواص نیتریده ایجاد میشود که به آرکور معروف است. پدیده آرکور، با نام های دیگری همچون QPQ (کوئنچ پولیش کوئنچ) و پست اکسیداسیون نیز شناخته میشود. آرکور در حقیقت، پسیو (passive) سازی سطح قطعات، جهت حصول مقاومت به  خوردگی بسیار بالا است. اگر روش نیتراسیون را به منظور افزایش مقاومت سایشی فولاد های زنگ نزن به  کار ببریم، مقاومت به خوردگی کاهش می یابد؛ برای رفع این نقص، از فرآیند آرکور استفاده می شود. پوشش آرکور روی سطح قطعات به رنگ مشکی درمی آید.

فرآیند آرکور علاوه بر اینکه مقاومت به خوردگی از دست رفته را جبران می کند، می تواند برای فولاد های مختلف مقاومت به خوردگی فوق العاده در کنار خواص سایشی و مقاومت سایشی بالا نیز ایجاد کند. آرکور در بسیاری از صنایع معدنی، تجهیزات نفتی، اجزاء اسلحه، صنایع دریایی، صنایع نیروگاهی و صنایع هوایی کاربرد دارد. یکی از رایج ترین موارد کاربرد آرکور ، استفاده از آن درجک های گازی است. شفت سیاه رنگی که در جک های گازی درب صندوق عقب بیشتر خودروها استفاده میشود، آرکور میباشد. بطورکلی، هرجا که مقاومت به خوردگی و مقاومت به سایش در کنار جلوه تزئینی نیاز باشد، از آرکور استفاده میشود.

خواص آرکور

• آرکور ، خواص نیتراسیون را همزمان با افزایش مقاومت به خوردگی، تقویت میکند.
• آرکور ، مقاومت به خوردگی پوشش کروم سخت را تا چندین برابر افزایش میدهد.
• فرآیند آرکور بر روی انواع آهن و فولاد و بخصوص فولاد زنگ نزن (stainless steel) قابل اجرا میباشد.
• قطعات نیتروژن دهی شده به روش آرکور ، رنگ ترئینی مشکی براقی دارند.

خدمات نیتراسیون

خدمات نیتروژن دهی به این صورت میباشد که قطعه موردنظر در کوره قرار میگیرد. نیتروژن با قطعه فلزی واکنش میدهد و به آن نفوذ میکند. در نهایت نیتریدها را تشکیل میدهد که باعث ایجاد سختی میشوند. توانایی کنترل فرآیند نیتراسیون بسیار اهمیت دارد. توانایی کنترل فرآیند نیتروژن دهی به بزرگترین چالش در صنعت تبدیل شده است. در طراحی کوره های نیتراسیون عواملی چون پوسته آن، عایق، پوشش و المنت های حرارتی بسیار مهم هستند. کنترل این فرآیند درون کوره توسط کامپیوتر انجام میشود. کامپیوترها سه پارامتر مهم فرآیند نیتروژن دهی را کنترل میکنند: دما، واکنش شیمیایی و زمانی که قطعات تحت نیتراسیون قرار میگیرند. قطعات حرارت داده میشوند و همانطورکه پیش تر بیان شد، تحت عملیات نیتروژن دهی قرار میگیرند.

پس از نیتروژن دهی در آزمایشگاه ، کیفیت اجزایی که روی آنها عملیات سخت کاری انجام شد، تست میشود. تکه ای از قسمتی که نیتروژن دهی شد، خارج شده و زیر میکروسکوپ قرار میگیرد. این کار به اندازه گیری ضخامت لایه سفید تشکیل شده روی سطح و لایه نفوذی (diffusion layer) که نیتروژن را جذب میکند، کمک میکند. پروفیل سختی نیز بعد از فرآیند نیتراسیون بررسی میشود.

نیتراسیون فولادها

در فرآیند نیتراسیون فولادهای آلیاژی حاوی کروم، آلومینیوم و گاهی نیکل، دمای آنها را تا محدوده 520-500 درجه سانتیگراد در جریان گاز آمونیاک باز پخت میکنند. در این محدوده دمایی، فولاد در مدت زمان مشخصی با مواد نیتروژن ده در تماس قرار می گیرد. نیتروژن اتمی در امتداد مرزدانه ها به لایه سطحی نفوذ کرده و از آنجا به داخل دانه ها نفوذ خواهد کرد در ادامه فرآیند نیتراسیون ، نیتریدهای آهن و نیتریدهای آلیاژی تشکیل شده و رشد میکنند.

روش دیگر برای نیتراسیون فولاد ها، بازپخت کردن آن ها در حمام نمک سیانیدی مذاب در محدوده دمایی 570-550 درجه سانتی گراد می باشد. در فرآیند بازپخت، نیتروژن به سطح قطعه نفوذ کرده و با عناصر آلیاژی پیوند برقرار می کند، این پیوند باعث افزایش فوق العاده سختی در سطح فولاد میشود. اگر بخواهیم قسمت هایی از قطعه را نرم باقی بگذاریم، این قسمت ها با قلع اندودکاری پوشانده می شود. ضخامت لایه سخت کاری شده، بسته به مدت زمان بازپخت، روش نیتراسیون (نیتریده کردن در حمام نمک ، نیتریده کردن گازی) و نوع فولاد ، تا چند دهم میلیمتر میباشد. عیب نیتراسیون فولاد، روش بازپخت طولانی مدت آن است. مدت زمان لازم برای عمق نیتراسیون حدود ۰٫۱mm درروش حمام نمک، 2 ساعت و مدت عملیات در روش گازی ۸ ساعت می باشد.

انواع نیتریدهای تشکیل شده در فرآیند نیتراسیون فولادها

با توجه به نمودار فازی آهن-نیتروژن ،به ترتیب افزایش درصد نیتروژن فازهایی که در ضمن عملیات نیتراسیون در لایه سطحی فولاد ساده کربنی تشکیل میشوند عبارتند از:

• نیترید آلفا: محلول جامد نیتروژن در آهن با شبکه BCC.
• نیترید گاما پیرین: اگر مقدار نیتروژن موجود بیشتر از حد حلالیت آن در فاز آلفا باشد.
• نیترید اپسیلن: اگر مقدار نیتروژن بیشتر از 6 درصد باشد.
• نیترید زتا: اگر نیتروژن بیشتر از 11 درصد و دما کمتر از 500 درجه سانتی گراد باشد.
• نیترید گاما: زمانی که محلول جامد بین نشین نیتروژن در آهن FCC و دما بالاتر از 590 درجه سانتی گراد باشد.

هزینه نیتراسیون

در عملیات نیتروژن دهی به روش حمام نمک، در سوراخ ها و درزهای قطعات بخصوص قطعاتی که اشکال هندسی پیچیده دارند، نمک موجود در حمام جمع میشود؛ به همین دلیل تمیزکاری این قطعات نیاز به صرف هزینه و بکار گیری نیروی انسانی دارد که وجود نیروی انسانی نیز خود هزینه بر است.

 درنتیجه هزینه نیتراسیون حمام نمک توجیه اقتصادی ندارد. اما بطور کلی، فرآیند نیتراسیون بعلت کارایی زیاد در صنایع مختلف و مدرن بودن آن بخصوص درآرکور ، در بلند مدت به صرفه میباشد و هزینه های مربوط تجهیزات و این عملیات را جبران میکند. در سال های اخیر، آرکور یا QPQ، با وجود قدمت کم و بعلت خواص عالی و سرعت انجام و راندمان بالا، سریعا در صنایع مختلف از جمله صنایع نظامی و ساخت ادوات نظامی و تجهیزات جنگی و نیز صنایع نفت، گاز و پتروشیمی بکار گرفته شده است.