نیتروژن دهی به فولاد
نیتروژن دهی یک عملیات ترموشیمیایی است که در آن، نیتروژن به روش های مختلف به سطح فولاد اضافه می شود. در نیتروژن دهی برخلاف کربن دهی، نیتروژن هم در آهن α و هم در آهن γ می تواند نفوذ کند، لذا برای نیتروژن دهی احتیاجی به تغییر شکل ساختاری به آستنیت نبوده و در درجه حرارت های پایین (زیر درجه حرارت یوتکتوئید یعنی حدود ۵۹۱ درجه سانتیگراد) انجام می شود. در این محدوده ی دمایی، ساختار فولادهای نیتروره شامل فریت است. معمولاً در صنایع، نیتروژن دهی را در درجه حرارت حدود ۵۲۵-۵۰۰ درجه سانتیگراد انجام می دهند. حد پایین دمای نیتروژن دهی نیز حدود ۴۸۰ و حد بالای آن حدود ۶۱۰ درجه سانتیگراد است. هر چه دمای نیتروژن دهی بیشتر باشد، عمق نیتروره بیشتر و سختی کمتر می شود. هنگامی که فولاد در این محدوده دمایی برای مدت زمان مشخص در تماس با مواد نیتروژن ده قرار می گیرد، نیتروژن اتمی جذب سطح فولاد می شود و سپس به داخل آن نفوذ می کند. نفوذ اتم های نیتروژن به لایه سطحی در امتداد مرزدانه ها و از آنجا به داخل دانه ها انجام می گیرد. با ادامه ی نفوذ، نیتریدهای آهن و نیتریدهای آلیاژی تشکیل و رشد می کنند. عمق لایه نیتروره معمولاً کمتر از یک میلی متر و در صنعت حدود ۰٫۳ تا ۰٫۶ میلی متر است.
در برخی فرایندهای نیتروژن دهی، در کنار نیتروژن معمولاً کربن نیز به داخل فولاد نفوذ می کند و لایه ی سطحی بر پایه ی نیتروژن و کربن بنا می شود. به همین دلیل، این فرایندهای نیتروژن دهی عملاً در گروه فرایندهای نیتروژن-کربن دهی (نیتروکربورایزینگ) قرار می گیرند. روش های مهم نیتروژن دهی به فولاد عبارتند از نیتروژن دهی و نیتروژن-کربن دهی گازی، نیتروژن دهی و نیتروژن-کربن دهی پلاسما، نیتروژن-کربن دهی در حمام نمک مذاب (نیتروژن دهی نمکی) و نیتروژن-کربن دهی جامد یا پودری.
نیتروژن دهی گازی
در نیتروژن دهی گازی، مواد نیتروژن ده در حالت گازی در تماس با فولاد قرار می گیرد. این فرایند در گستره ی دمایی پایداری فریت (زیر درجه حرارت یوتکتوئید) و معمولاً بین ۵۶۵-۴۹۵ درجه سانتیگراد در داخل کوره های الکتریکی انجام می گیرد و در آن، نیتروژن اتمی حاصل از تجزیه ی آمونیاک وارد لایه سطحی فولاد می شود و با آهن و برخی عناصر آلیاژی مثل آلومینیوم، کروم، مولیبدن و یا وانادیم ترکیب شده و تشکیل نیتریدهای سخت و پایدار می دهد. همان طور که در پاسخ پرسش ۴۱ در قسمت دهم آموزش کلید فولاد آمده است، به لایه ی سطحی نیتریدهای آهن ʹγ و ɛ، لایه ی ترکیبی یا لایه ی سفید می گویند. در زیر این لایه ترکیبی، دیفیوژن یا نفوذ نیتروژن تا یک ضخامتی ادامه می یابد (ناحیه ی نفوذی).
در فرایند نیتروژن- کربن دهی نیز که باز در گستره ی دمایی پایداری فریت انجام می گیرد، نیتروژن و کربن به صورت همزمان نفوذ کرده و یک لایه ترکیبی سطحی از کربونیتریدهای گاما پیرین (ʹγ) با فرمول شیمیایی (Fe4(N,C و اپسیلن (ɛ) با فرمول شیمیایی (Fe2-3(N,C تشکیل می دهند که باز به آن لایه ی ترکیبی یا سفید می گویند. دلیل سفید نامیدن این لایه در پرسش ۴۱ در قسمت دهم آموزش کلید فولاد پاسخ داده شده است. در فولادهای نیتروره، ضخامت لایه ی سفید در حداقل است و نیتریدهای آلیاژی در لایه ی سطحی پراکنده می شوند. این لایه دارای مقاومت به سایش و ضد پوسته شدن عالی است و هنگام تشکیل کمترین اعوجاج قطعه را به همراه دارد. در زیر این لایه ی ترکیبی سطحی، به دلیل نفوذ نیتروژن به داخل فولاد، یک ناحیه ی نفوذی هم با حضور رسوبات نیتریدی تشکیل می شود. این ناحیه هم به مقدار و عمق سختی فولاد می افزاید.
برخی از روش های نیتروژن دهی گازی عبارتند از:
- نیتروژن دهی توسط آمونیاک
نیتروژن دهی گازی توسط آمونیاک را می توان در یک یا دو مرحله انجام داد: نیتروژن دهی گازی یک مرحله ای ساده ترین و ابتدایی ترین روش است که در دمای ۵۲۵-۴۹۵ درجه سانتیگراد به مدت معمولاً ۴۰ تا ۸۰ ساعت انجام می گیرد. در این روش، درصد تجزیه آمونیاک حدود ۳۰-۱۵ درصد است و یک لایه ی ضخیم (بیش از ۳۰ میکرون) و ترد غنی از نیتروژن در سطح فولاد (لایه سفید) تشکیل می شود. با نیتروژن دهی دو مرحله ای می توان ضخامت لایه ی نیتریدی سفید را به حداقل رسانید. نیتروژن دهی دو مرحله ای با فرایند FLOE معرفی شده است. مرحله ی اول همانند نیتروژن دهی یک مرحله ای ترجیحاً در دمای ۵۲۵-۵۰۰ درجه سانتیگراد و به مدت ۱۰-۵ ساعت انجام می گیرد و حدود ۵-۲ میکرون لایه ی سفید در سطح قطعه تشکیل می شود. در مرحله ی دوم، دما تا ۵۵۰-۵۳۰ درجه سانتیگراد افزایش می یابد و درصد تجزیه ی آمونیاک حدود ۸۰-۶۵ درصد است. ضخامت لایه ترکیبی سفید در روش دو مرحله ای معمولاً تا حداکثر ۲۰ میکرون می رسد.
نیتروژن دهی گازی
- نیتروژن دهی توسط آمونیاکِ مخلوط با گاز مکمل ازت (نیتروژن) یا یک گاز خنثی
- نیتروژن دهی توسط آمونیاکِ مخلوط با گازهای مکمل اکسیژن زا (اکسی نیتریدینگ)
- نیتروژن دهی توسط آمونیاکِ مخلوط با گازهای مکمل مونوکسید کربن (CO)، یا دی اکسید کربن (CO2) و یا گازهای غنی از کربن مثل بوتان و پروپان (نیتروکربورایزینگ)
- نیتروژن دهی توسط آمونیاکِ مخلوط با ترکیب گازی گوگرد دار (سولفونیتریدینگ)
- گازدهی چند مرحله ای با ترکیبی از روش های بالا
نیتروژن دهی گازی
نیتروژن دهی گازی
نیتروژن دهی پلاسما
گازها در شرایط طبیعی غیر هادی هستند، یعنی تعداد حامل های بار الکتریکی آن ها به اندازه ای کم است که هیچ گونه بار الکتریکی را انتقال نمی دهند. در ولتاژهای بسیار بالا مثل صاعقه و یا در دامنه ی فشار کمتر از اتمسفر (ناحیه ی تخلیه ی شار الکتریکی) این ویژگی تغییر می کند. به این صورت که قسمتی از گاز غیر هادی یونیزه شده و هادی می شود. از نقطه نظر ولتاژ و جریان، نیتروژن دهی پلاسما در ناحیه ی تخلیه ی شار الکتریکی شبه پایدار انجام می گیرد. در این فرایند، گاز نیتروژن به همراه هیدروژن با فشار حدود۰٫۵ تا ۱۰ میلی بار وارد محفظه ی خلاء می شود. برای نیتروژن-کربن دهی پلاسمایی، علاوه بر آن ها، گاز متان نیز با درصد مشخصی وارد محفظه می شود. بدنه ی محفظه به قطب مثبت وصل و کاتد واقع می شود و قطعه کار نیز به قطب منفی وصل و آند واقع می شود.زماني كه گاز با تركيب مناسب و فشار كافي وارد محفظه شد، ولتاژی بين ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ ولت اعمال مي شود. در اثر اختلاف پتانسیل بین قطب های مثبت و منفی، ذرات گاز یونیزه شده، به سمت قطب منفی (قطعه کار) شتاب می گیرد و سطح آن را بمباران می کند. در اثر برخورد یون ها با انرژی سینتیکی بالا به سطح قطعات، حدود ۹۰ درصد انرژی آن ها به انرژی حرارتی تبدیل می شود و دمای قطعات تا دمای نیتروژن دهی افزایش می یابد. درست پس از چند دقیقه پس از شروع فرایند، نیتروژن اتمی در سطح قطعه نفوذ کرده و لایه های مختلف نیتریده را بر روی آن پدید می آورد. مدت زمان نیتروژن دهی پلاسمایی معمولاً بین ۱۰ دقیقه تا بیش از ۶۰ ساعت در موارد خاص متغیر است و تابع پارامترهایی چون دمای عملیات، عمق نفوذ، نوع فولاد و عناصر آلیاژی آن است. در این فرایند، فقط مناطقی نیتریده می شوند که در معرض تخلیه ی شار الکتریکی قرار دارند. بنابراین می توان با پوشش جرمی یا خمیری از نیتریده نشدن مناطقی که نمی خواهیم نیتریده و سخت شوند، مطمئن شد.
نیتروژن دهی پلاسما
نیتروژن دهی مایع یا نیتروژن دهی در حمام نمک مذاب
نیتروژن دهی مایع معمولاً در حمام نمک مذاب سیانیدی و یا سیاناتی و به چندین روش انجام می گیرد. در این فرایند، کربن هم به همراه نیتروژن نفوذ می کند، بنابراین آن را می توان از نوع فرایندهای نیتروژن-کربن دهی (نیتروکربورایزینگ) محسوب نمود. به منظور نیتروژن دهی مایع، چند روش تجاری از جمله TENIFER یا TUFFTRIDE و روش های MELONITE ،SURSULF و ARCOR توسعه پیدا کرده اند. در این روش ها معمولاً از حمام های سیانید/سیانات هوادهی شده و حمام های سیانید/سیانات با تزریق آمونیاک بدون آب با فشار ۷-۲۰۵ کیلوپاسکال و با نسبت های مختلف سیانید و سیانات استفاده می شود. روش TENIFER یا TUFFTRIDE در حمام مذاب ۵۷۰ درجه سانتیگراد با ترکیبی شامل حدود ۲۰-۱۸ درصد سیانید و ۲۵-۲۲ درصد سیانات به همراه دمش هوا و در دیگ هایی از جنس تیتانیوم انجام می گیرد. روش MELONITE در حمام مذاب ۵۸۰ درجه سانتیگراد با ترکیبی شامل حدود ۳-۰ درصد سیانید و ۳۶-۳۰ درصد سیانات به همراه دمش هوا و مواد احیا کننده و در دیگ هایی از جنس تیتانیوم انجام می گیرد. روش SURSULF از حمام های نیتروژن-کربن دهی بدون سیانید با حضور گوگرد است که در دمای ۵۷۰-۵۶۰ درجه سانتیگراد انجام می شود. این روش توسط شرکت French معرفی شده است. ترکیب حمام آن شامل سیانات و کربنات سدیم، پتاسیم و لیتیم به همراه مقدار کمی سولفید پتاسیم است. در روش ARCOR نیز از حمام های بدون سیانید نیتروژن-کربن دهی با ترکیبی شامل سیانات و کربنات مواد قلیایی استفاده می شود. این فرایند خود به چندین روش انجام می گیرد که دمای هر کدام از آن ها متفاوت است ولی همه این روش ها در محدوده دمایی ۶۳۰-۴۸۰ درجه سانتیگراد انجام می شود. مزیت مهم این روش آن است که لایه ترکیبی با ضخامت ۲۰-۱۰ میکرون در سطح فولاد در مدت زمان حدود ۲-۱ ساعت تشکیل می شود.
برای مطالعه بیشتر در مورد نیتروژن دهی، نوشته های زیر را هم می توانید از عصر مواد ببینید:
آموزش گام به گام کلید فولاد – قسمت ۱۰
چرا ماکیزمم سختی در فرایند نیتروژن دهی در عمقی از سطح اتفاق می افتد؟