توضیح نیتریدینگ – نحوه کار، مزایا و انواع آن

نیتریدینگ

بسیاری از انواع روش های عملیات حرارتی در سراسر صنعت استفاده می شود تا فلزات را برای کاربردهای مختلف مناسب تر کنند. در این مقاله، ما یک فرآیند تصفیه سطح ترموشیمیایی یعنی نیتریدینگ را بررسی می کنیم که سطح بیرونی فلز را با افزایش غلظت نیتروژن آن سخت می کند. صنعت واشر اصفهان یکی از شرکت ها صنعتی مهم در مرکز کشور است که با تولید انواع فرآورده های نسوز از قبیل ورق لاستیکی گامی مهم در پیشرفت صنعت کشور برداشته است.

نیتریدینگ چیست؟

نیتریدینگ نوعی فرآیند سخت شدن کیس است که لایه بیرونی یک قطعه را با افزودن نیتروژن به سطح آن سخت می کند. نیتروژن اضافه شده با آهن و سایر عناصر آلیاژی در ترکیب فلز ترکیب می شود و نیتریدهای فلزی سخت را تشکیل می دهد.

از آنجایی که نیتروژن فقط به عمق معینی می رسد، داخل قطعه خواص اولیه خود را حفظ می کند و بنابراین نسبتاً نرم تر است. ما می توانیم سختی سطح نهایی را تا 76 HRC (90 HRA) از طریق فرآیند نیتریدینگ بدست آوریم.

لایه سختی (عمق قاب) به طور کلی دارای ضخامت 200-300 𝜇m (0.0002 متر) است اما در برخی از کاربردها می تواند تا 2 میلی متر باشد. ما می توانیم آن را با تغییر عواملی مانند مدت زمان قرار گرفتن در معرض، دمای نیتریدینگ، جریان گاز و غیره کنترل کنیم.

فرآیند نیتریدینگ یک لایه ترکیبی ایجاد می کند – یک لایه سفید به عنوان لایه بیرونی با یک منطقه انتشار در زیر. منطقه انتشار از نیتروژن جذب شده و همچنین رسوبات نیترید سخت تشکیل شده است.

نیتریدینگ در دماهای کمتر از دمای آستنیته شدن فولاد انجام می شود. تشکیل آستنیت در 727 درجه سانتیگراد (1340 درجه فارنهایت) برای فولاد کربنی ساده شروع می شود، اما برای فولادهای آلیاژی بر اساس ترکیب متفاوت است.

بنابراین، نیتریدینگ معمولاً در دمای فرآیند بین 500 تا 550 درجه سانتی گراد (930 تا 1022 درجه فارنهایت) و تا حداکثر دمای 620 درجه سانتی گراد (1150 درجه فارنهایت) انجام می شود.

فرآیند نیتریدینگ می تواند بین 4 تا 100 ساعت طول بکشد. بیش از 100 ساعت، ضخامت لایه با سرعت بسیار آهسته افزایش می یابد و این فرآیند را غیرممکن می کند.

چه زمانی از نیتریدینگ استفاده می شود؟

نیتریدینگ در همه انواع فولاد استفاده نمی شود. این می تواند برای فولاد کربن ساده استفاده شود، اما به طور کلی برای فولادهای آلیاژی کم کربن که دارای عناصر تشکیل دهنده نیترید مانند آلومینیوم، مولیبدن و کروم هستند، ترجیح داده می شود. این عناصر سخت شدن بارش را تسهیل می کنند.

جدا از فولادها، نیتریدینگ نیز نتایج خوبی را با آلیاژهای تیتانیوم، مولیبدن و آلومینیوم ارائه می دهد.

مزایای نیتریدینگ

نیترید کردن مزایای زیادی نسبت به روش های سخت کاری رایج مانند کاربوریزاسیون دارد. برخی از مزایای استفاده از نیتریدینگ به شرح زیر است.

دمای پایین تر

فرآیند نیتریدینگ در دمای حدود 550 درجه سانتیگراد (1022 درجه فارنهایت) کار می کند که بسیار پایین تر از دمای سایر فرآیندها مانند کربورسازی است . بنابراین، قطعات نیترید شده دچار اعوجاج و تغییر شکل کمتری می‌شوند و کنترل ابعادی بسیار خوبی را ارائه می‌دهند.

سختی سطح بالا با یک هسته انعطاف پذیر

قطعات نیترید شده دارای سختی سطح بالایی همراه با یک هسته انعطاف پذیر هستند. ترکیبی از این ویژگی ها سطحی مقاوم در برابر سایش با یک هسته انعطاف پذیر فراهم می کند که می تواند بارهای ضربه ای را بسیار بهتر از یک ماده سخت تحمل کند. 

بنابراین، می‌توانیم از اجزای نیترید شده در کاربردهایی که بارهای ضربه‌ای همراه با قرار گرفتن در معرض مواد ساینده یا اصطکاک وجود دارد ، بدون نگرانی از خرابی ناگهانی تحت بارهای زیاد استفاده کنیم.

افزایش مقاومت در برابر خوردگی

فرآیند نیتریدینگ مقاومت به خوردگی برخی از فولادها را بهبود می بخشد. لایه نیترید سخت رسوب‌شده از تشکیل حفره‌هایی که در نهایت از طریق خوردگی حفره‌ای در یک قسمت تصفیه‌نشده خورده می‌شوند، جلوگیری می‌کند. برای به دست آوردن حداکثر مقاومت در برابر خوردگی، لایه سفید تشکیل شده پس از فرآیند نیتریدینگ باید دست نخورده باقی بماند.

به عنوان مثال، نیتریدینگ پلاسما مقاومت در برابر خوردگی فولاد ضد زنگ 410 را بهبود می بخشد زیرا لایه نیترید آهن روی سطح از فلز زیرین در برابر حمله خوردگی محافظت می کند.

اما مواردی وجود دارد که نیتریدینگ میزان خوردگی را افزایش می دهد. به عنوان مثال، هنگامی که نیتریدینگ پلاسما بر روی فولاد ضد زنگ مارتنزیتی X17CrNi16-2 انجام شد، مقاومت به خوردگی آن در واقع کاهش یافت. این عمدتا به دلیل تشکیل نیترید کروم است که محافظت اولیه در برابر خوردگی ارائه شده توسط کروم در محلول جامد را کاهش می دهد.

خاصیت ضد صفراوی

نیتریدینگ همچنین می تواند خواص ضد صفراوی را به قطعات بدهد. گالینگ به سایش چسب بین فلزات به دلیل تماس لغزشی اشاره دارد. فرآیند نیتریدینگ مقاومت یک قطعه را در برابر گال شدن افزایش می دهد.

بهبود زندگی خستگی

عمر خستگی قطعات فولادی شاهد یک تیک رو به بالا بود زیرا نیتریدینگ مقاومت خستگی بهبود یافته را در محدوده 30 تا 100 درصد در کاربردهای مختلف نشان داد.

در دماهای بالاتر در برابر نرم شدن مقاوم تر است

لایه سخت کننده کیس می تواند در دماهای بالاتر سختی خود را از دست بدهد. این معمولاً با فرآیندهایی مانند کربورسازی مشاهده می شود. با این حال، سرعت نرم شدن برای نیتریدینگ بسیار کمتر است. 

بنابراین، قطعات نیترید شده را می توان در کاربردهای با دمای بالا بدون کاهش قابل توجهی در سختی سطح استفاده کرد.

فرآیندهای نیتریدینگ

فرآیند نیتریدینگ انتشار نیتروژن به لایه سطحی فولاد آلیاژی در دماهای بالا است. سه راه اصلی برای انجام این کار وجود دارد. اینها هستند:

• نیتریدینگ گازی
• نیتروژن حمام نمک 
• نیتریدینگ پلاسما

بیایید نگاهی گذرا به هر نوع بیندازیم و تفاوت آنها با یکدیگر را درک کنیم.

نیتروژن گازی

در نیتروژن گازی، قسمت فلزی گرم شده در کوره در معرض گاز آمونیاک بی آب قرار می گیرد. با افزایش دما، آمونیاک به نیتروژن و هیدروژن تجزیه می شود. نیتروژن در سطح پخش می شود و یک لایه نیترید فوق العاده سخت تشکیل می دهد. 

بسته به کاربرد، نیتریدینگ گاز ممکن است یک فرآیند تک یا دو مرحله ای باشد. امروزه تجهیزات مدرن به ما اجازه می دهد تا فرآیند نیتریدینگ گاز را دقیقاً کنترل کنیم. ما می‌توانیم از این فرآیند برای برنامه‌های تولید انبوه استفاده کنیم ، زیرا اندازه دسته تنها توسط جریان گاز و اندازه کوره محدود می‌شود.

نیترید کردن گاز مقرون به صرفه تر از روش های دیگر است، به ویژه زمانی که با فرآیند نیتریدینگ پلاسما مقایسه شود. اما ممکن است زمان زیادی طول بکشد – تا 80 ساعت برای برخی از برنامه ها. سازندگان اغلب از نیتریدینگ گاز برای تقویت چرخ دنده ها در برابر خرابی های ناشی از تماس غلتشی استفاده می کنند.

نیتروژن حمام نمک

در نیتروژن حمام نمک، مواد در یک حمام مایع که حاوی نمک مبتنی بر نیتروژن است قرار می گیرد. با افزایش دما، نیتروژن حاصل از نمک وارد سطح قطعه می شود. نمک همچنین ممکن است گاهی حاوی کربن باشد، که این فرآیند را به جای فرآیند نیتریدینگ، یک فرآیند نیتروکربوریزه کردن می کند.

نیترید کردن حمام نمک باعث انتشار بیشتر نیتروژن در قسمت نسبت به نیتروژن گازی برای مدت زمان مشابه می شود. این یک فرآیند نسبتا ساده است و سریعتر از روش های دیگر است.

نیترید کردن حمام نمک یک فرآیند رایج در ساخت میل لنگ ، چرخ دنده، ابزار و قالب است.

نیتریدینگ پلاسما

نیتروژن پلاسما، همچنین به عنوان نیتروژن یونی شناخته می شود، از یونیزاسیون برای رسوب نیتروژن در یک قسمت فلزی استفاده می کند. 

گاز نیتروژن خالص در اطراف بستر فلزی با ایجاد میدان های الکتریکی قوی یونیزه می شود. یون های نیتروژن در سطح زیرلایه پخش می شوند و نیتریدهای فلزی سخت را تشکیل می دهند.

از آنجایی که فرآیند به یونیزاسیون گاز نیتروژن بستگی دارد، نیازی به دماهای خیلی بالا ندارد. دمای پایین 260 درجه سانتیگراد (500 درجه فارنهایت) برای نیتریدینگ پلاسما کافی است.

بنابراین پلاسما ممکن است گرم یا سرد باشد. پلاسمای سرد با استفاده از لوله های خلاء تولید می شود.

نیتریدینگ پلاسما معمولاً برای سخت کردن فولاد زنگ نزن آستنیتی استفاده می شود و برای محصولاتی مانند ابزار پزشکی/جراحی، قطعات خودرو و مصالح ساختمانی استفاده می شود.