کربن نیتروژن دهی

در عملیات کربن نیتروژن دهی که بیشتر در آلیاژ های آهنی که کربن کمی دارند انجام می شود، قطعه در محیط گازی دارای کربن و نیتروژن قرار می گیرد و تا دمایی بالاتر از دمای A3 حرارت داده می شود. به این ترتیب نیتروژن و کربن به داخل سطح نفوذ می کنند و طی فرآیند کوئنچ کردن ، یک لایه روی سطح تشکیل می شود که غنی از کربن و نیتروژن می باشد. ضخامت سطح سخت شده در فرآیند کربن نیتروژندهی معمولا بین 0.5- 0.7 میلی متر می باشد. در این عملیات سطح قطعه سخت شده و مغز آن نرم باقی می ماند، همین عامل باعث می شود که خواص دینامیکی و مکانیکی و مقاومت به سایش قطعه بهبود یابد. سختی سطح قطعات کربونیتریده شده ، 62-55 HRC می باشد.

شرایط فرآیند کربونیتریده کردن

فرآیند کربن نیتروژندهی شامل سه مرحله می باشد که به توضیح آن می پردازیم:

اتمسفر

فرآیند کربونیتریده شدن در محیطی از مخلوط مونوکسید کربن و هیدروکربن شامل 3 تا 8 درصد آمونیاک انجام می شود. این فرآیند مشابه فرآیند کربورسازی گازی است، اما در فرآیند کربن نيتروژن دهی ، آمونیاک در کنار کربن اضافه می شود. این فرآیند 0.5 تا 0.8 درصد کربن و 0.2 تا 0.4 درصد نیتروژن به سطح فولاد اضافه می کند. نیتروژن از آمونیاک موجود در جو به دست می آید. درصد کربن و نیتروژن جذب شده توسط فولاد را می توان با کنترل دما و غلظت آمونیاک تغییر داد.

عملیات حرارتی

 به منظور این که کربن سریعا جذب سطح شده و در واقع سریع انحلال یابد، قطعه موردنظر باید در منطقه آستنیتی باشد اما؛ این منطقه برای انحلال نیتروژن مناسب نمی باشد زیرا سرعت انحلال نیتروژن در منطقه آستنیت، از سرعت انحلال آن در منطقه فریت، تقریبا 50 برابر کمتر می باشد. برای حل این مشکل، دمای عملیات را زیر 900 درجه سانتی گراد نگه می دارند تا در نتیجه مقدار نسبتا مناسبی نیتروژن در منطقه آستنیتی حل شود.

دمای مورد استفاده برای کربونیتریدینگ باید بین 875-800 درجه سانتیگراد باشد. این دما کمتر از دمایی است که برای کربن دهی استفاده می‌شود و مدت زمان عملیات حرارتی قطعه نیز کوتاه ‌تر است. دمای پایین در عملیات کربونیتریده کردن نسبت به عملیات کربوراسیون ، موجب کم شدن اعوجاج قطعه به ویژه هنگام کوئنچ کردن می گردد. با این حال، این دما، بالاتر از دمایی است که برای نیتریدینگ استاندارد استفاده می شود.

کوئنچ

 زمانی که قطعه تحت عملیات حرارتی قرار گرفت، باید فوراً در روغن یا گاز با یک فضای محافظ سرد شود. با این که آب یکی دیگر از محیط‌های کوئنچینگ می باشد، اما فولادهای کم کربن زمانی که در آب فرو می‌روند می‌توانند تغییر شکل دهند. به همین دلیل، کوئنچ در نفت یا گاز با فضای محافظ توصیه می شود.

عمق سخت شدن سطح (Case Hardening Depth=CHD) : عمق سخت شدن سطح به معنای این است که فرآیند سخت شدن تا چه میزان در سطح قطعه نفوذ کرده است. این عمق به عوامل مختلفی از جمله عمق کربونیتریده شدن ، دمای سخت شدن، سرعت سرد شدن (کوئنچینگ) ، سختی پذیری فولاد و ابعاد قطعه بستگی دارد.

تغییر ریزساختار در فرآیند کربونیتریداسیون

همان طور که قبلا اشاره کردیم، در فرآیند کربونیتراسیون ، کربن و نیتروژن به صورت هم زمان به سطح قطعه نفوذ می کنند و این کار در منطقه آستنیت انجام می شود. حضور بیش از 2/0 درصد نیتروژن همراه با 8/0 درصد کربن در پوسته، آهنگ تجزیه آستنیت به پرلیت در هنگام سرد شدن را آنقدر کاهش می دهد که گاهی برای سخت کردن سطح، حتی سریع سرد کردن در روغن نیز کافی است. در صورتی که مقدار نیتروژن بیشتر از 4/0 درصد باشد، دمای شروع تشکیل مارتنزیت به قدری کاهش می یابد که، در پوسته قطعه ی کوئنچ شده، مقدار زیادی آستنیت باقیمانده وجود خواهد داشت.

 اما به طور خلاصه، کربن نیتروژن دهي ، در مقایسه با نیتراسیون یا کربن دهی تنها، سختی پذیری و مقاومت به سایش را بیشتر افزایش می دهد. نکته ای که باید به آن دقت شود این است که، اگر عملیات کربن و نیتروژن دهی هم زمان، در گستره دمایی نیتروژن دهی انجام شود (یعنی بین 500 تا 650 درجه سانتی گراد) ، اصطلاحا به آن نیتروژن کربن دهی گفته می شود. در این روش به سطح قطعه عمدتا نیتروژن داده می شود ولی چون مقداری کربن نیز جذب می شود، سختی قطعه بیشتر از حالتی است که فقط به آن نیتروژن داده شود.

کاربرد کربن نیتروژندهی

وقتی صحبت از انواع فولادهایی می شود که می توانند کربن نیتروژن دهی شوند، طیف گسترده ای وجود دارد که شامل فولاد های کربنی ساده، فولاد های کربنی بدون عناصر آلیاژی، فولاد کم آلیاژ (حداکثر کربن 0.25 درصد) ، فولاد خوش تراش و فولاد زینتر شده می شود. برخی از متداول ترین قطعاتی که متکی به کربونیتریده کردن هستند، عبارتند از: دندانه های چرخ دنده، بادامک ها و شفت ها، یاتاقان ها، بست ها و پین ها، میله های پیستون هیدرولیک، صفحات کلاچ خودرو، ابزارها و قالب ها.

با نگاهی به تنها چند مورد از این کاربردهای احتمالی برای فولاد کربنی، می‌توانیم دقیقاً ببینیم که کاربرد فرآیند کربن نیتروژن دهی در دنیای واقعی چگونه است. به عنوان مثال، طول عمر میله‌های پیستون هیدرولیک کربونیتریده شده ، در محیط‌های با روغن کاری ضعیف و آلوده افزایش می یابد. روانکاری ضعیف در یک سیلندر هیدرولیک می تواند باعث کنده شدن تکه های فلزی و آلودگی سیستم شود. سپس این آلودگی منجر به افزایش سایش و در نهایت تخریب سیلندر از داخل می شود. برخی از سیلندرهای هیدرولیک مادام العمر آب بندی می شوند، به این معنی که روان کننده آنها در صورت آلوده شدن قابل تعویض نیست. مواردی مانند این، دلیلی است برای این که کربونیتریداسیون برای جلوگیری از سایش فرآیند بسیار مهمی تلقی شود.

مزایای کربن نیتروژن دهی

مزایای کربونیتریدینگ عبارت است از :

1. فرآیند کربن نيتروژن دهي ، لایه بالایی (سطح) قطعه را تغییر می دهد، در نتیجه ابعاد اصلی آن حفظ می شود.
2. ریز ساختار مارتنزیت که از کربونیتراسیون حاصل می شود، از دیگر مزایای این فرآیند است. این ریزساختار باعث می شود لایه بیرونی فولاد مقاومت به سایش و دوام بیشتری داشته و شکل پذیری آن افزایش یابد. به همین دلیل، قطعات کربن نیتروژندهی شده ، در محیط های با روغن کاری ضعیف و آلوده، طول عمر بیشتری دارند.
3. دمای فرایند کربن نیتروژن دهی نسبتا پایین است و درنتیجه این مسئله به حداقل کردن اعوجاج قطعه نهایی کمک می کند.
4. فرآیند کربن نیتروژن دهی در مقایسه با کربن دهی یا سایر فرآیندهای سخت کاری سطحی ، هزینه نسبتا کمی دارد.
5. عملیات کربونیتریده کردن برای فولاد هایی که سختی پذیری کمی دارند مناسب می باشد.
6. مطالعات نشان داده اند که فرآیند کربن نیتروژن دهی ، مقاومت قطعه را نسبت به خوردگی افزایش می دهد.

هزینه کربن نیتروژن دهی

در مورد هزینه کربن نیتروژن دهی باید چندین نکته را در نظر گرفت. اول اینکه ضخامت لایه سخت شده در عملیات کربن نیتروژندهی کم بوده و اساسا این لایه نازک است به همین دلیل نیاز به عملیات ماشینکاری بعدی ندارد و این خود یعنی صرف وقت و هزینه و تجهیزات کمتر که در نهایت به معنای این است که هزینه کربن نیتروژن دهی از لحاظ اقتصادی به صرفه می باشد.

سطح قطعه سخت کاری شده به روش کربن نیتروژن دهی به این دلیل که علاوه بر کربن مقداری نیتروژن هم جذب می شود، نسبت به روش کربن دهی سختی بیشتری دارد و این برتری روش کربن نیتروژن دهی و اقتصادی بودن آن را توجیه می کند. چون هرچه که سختی سطح بیشتر باشد استقبال از این روش بیشتر خواهد بود. بنابراین این فرآیند به دلیل زمان عملیات و دمای کمتر و ایجاد سطح سخت شده ی نازک تر، هزینه کربن نیتروژن دهی نسبت به روش کربن دهی کمتر بوده و از لحاظ اقتصادی برای تولید انبوه مناسب تر است.

خدمات کربن نیتروژن دهی

خدمات کربن نیتروژن دهی شامل سخت کاری و بهبود ویژگی های قطعات در صنایع مختلف می باشد. روش کربونیتریدینگ این امکان را دارد که در تولید انبوه قطعات کوچک استفاده شود. چرا که هر چه ابعاد قطعه کوچکتر باشد دسترسی به عمق سخت شده ی مورد نظر راحت تر می باشد. هم چنین مقاومت به نرم شدن در حین تمپرینگ و افزایش مقاومت ضربه ای وجود دارد که می تواند در شرایط خاص، ویژگی های ارزشمندی در حین خدمات کربن نیتروژن دهی ایجاد کند.