نیتراسیون یکی از مرسوم‌ترین روش‌های سخت کاری سطحی فلزات و فولادهاست که به روش‌های گوناگونی انجام می‌پذیرد. چنانچه به جزئیات این فرآیند علاقه‌مند هستید و قصد دارید در رابطه با روشهای متفاوت این نوع عملیات حرارتی اطلاعات بیشتری کسب نمایید، در ادامه با ما همراه باشید.

نیتراسیون چیست؟

چنان‌چه بخواهیم ماهیت فرآیند نیتراسیون را به اجمال شرح دهیم، باید گفت این فرآیند عبارت است از نفوذ نیتروژن اتمی به سطح فولاد، به منظور دستیابی به سطحی سخت و مقاوم به سایش. مکانیسم ایجاد سختی در  نیتراسیون، به واسطه پیوند نیتروژن با فلزات و تشکیل نیتریدهای فلزی در سطح قطعه فولادی است. به همین دلیل در این روش میزان سختی حاصله، ارتباط مستقیم با  نیتریدهای فلزی تشکیل شده در سطح دارد.

در علم شیمی منظور از نیترید ترکیباتی می‌باشد که در آن نیتروژن به صورت سه ظرفیتی با عناصر دیگر پیوند ایجاد می‌کند. مرسوم‌ترین شکل تشکیل نیترید در واکنش نیتروژن با فلزات، به ویژه گروه فلزات انتقالی است. علت سخت‌شدن لایه سطحی فولاد در طی این فرآیند، تشکیل همین نیتریدهای فلزی در سطح قطعه فولادی می‌باشد.

نیتراسیون فولاد | سخت کاری فولاد با نیتروژن

حال که با این فرآیند آشنا شدیم باید گفت نیتراسیون یا همان نیتروژن دهی نوعی عملیلات حرارتی است که انجام آن بر روی بسیاری از انواع فولادها، به ویژه فولادهای صنعتی و ابزاری امکان‌پذیر و مرسوم است. باید توجه داشت که همه فولادها را می توان نیتراته نمود اما بیشترین سختی، عمق نفوذ و خواص در فولادهای آلیاژی به دست می‌آید. در واقع در صورت انجام این نوع عملیات حرارتی  بر روی فولاد‌های آلیاژی که یک یا چند عنصر آلیاژی، از جمله تیتانیوم، وانادیوم، مولیبدن، کروم و آلومینیوم را در ترکیب خود دارند، بازدهی بهتری  حاصل خواهد شد.

درصورتی که فولادهای ساده که عناصر آلیاژی کمی دارند، سخت کاری نیتراسیون شوند، سختی و عمق نفوذ بسیار پایین‌تری به دست می‌آید. به این علت که نیتریدهای فلزی تشکیل شده به جای اینکه در سطح متمرکز باشند به سرعت به عمق نفوذ نموده و مانع افزایش سختی در لایه سطحی می‌شود.

در توجیه  عمق نفوذ و سختی پایین این فرآیند در فولاهای کم آلیاژ باید گفت  که در دمای نیتروژن دهی، نیتروژن با سرعت بالایی به داخل فولاد نفوذ می‌کند. در ادامه، نیتروژن با آهن واکنش نشان داده و نیتریدهای فلزی Fe4N و Fe2N  تشکیل می‌دهد. از آنجا که نیتریدهای فلزی تشکیل شده به جای تمرکز در سطح، در داخل عمق قطعه پراکنده می‌شوند، سختی در سطح را نمی‌توانند تا حد بالا افزایش دهند و سختی حاصله در نهایت در محدوده 400 ویکرز خواهد بود.

نیتراسیون فولادهای آلیاژی

وجود عناصر آلیاژی در قطعات فولادی می‌تواند مانع از پراکندگی نیتریدهای فلزی تشکیل شده در فرآیند سخت کاری نیتراسیون در عمق فولاد شوند. فلزات آلیاژی اعم از عناصر گروه انتقالی و همچنین عنصر آلومینیوم میل ترکیبی زیادی با نیتروژن دارند. عناصریاد شده با نیتروژن تشکیل نیترید‌های آلیاژی داده و از نفوذ نیتروژن به داخل قطعه جلوگیری می‌کنند. ترکیب عناصرآلیاژی با نیتروژن، موجب تشکیل یک لایه نیتریدی پایدار با سختی بالا برروی سطح قطعه می‌شود.

لایه نیتریدی تشکیل شده برروی سطح فولادهای آلیاژی، از ضخامت کمی در محدوده  0.2 تا 0.3 میلی‌متر (200 تا 300 میکرون) برخوردار است، اما به علت تشکیل نیترید‌های آلیاژی پایدار، سختی آن بسیار بالا است و لایه‌ای با سختی بالا برروی قطعه ایجاد خواهد‌ شد. باافزایش عناصرآلیاژی‌ در آنالیز فولاد، سختی‌ لایه تشکیل شده در طی این فرآیند افزایش پیدا می‌کند اما به‌موحب آن لایه تشکیل شده از ضخامت کمتری برخوردار خواهد بود.

فازهای متالوژیکی ایجاد شده در عملیات نیتراسیون فولاد

در طی عملیات حرارتی سخت کاری سطحی نیتراسیون، در سطح قطعه فولادی فازهای متالوژیکی گوناگونی تشکیل می‌شود. این فازها عبارت اند از:

1.اولین فاز تشکیل شده، فاز نیترید‌ آلفا است که در دمای 950 درجه سانتیگراد، در بیشترین حالت 0.1 درصد و در دمای اتاق در بالاترین حالت 0.01 درصد نیتروژن را می‌تواند در خود حل کند.

2.دومین فاز، فاز‌ نیتریدگاما پرایم نام دارد که این فاز با فرمول شیمیایی Fe4N زمانی تشکیل می‌شود که حلالیت نیتروژن بیش از فاز آلفا (بیش 0.1 درصد) باشد. فاز نیتریدگاماپرایم تا حداکثر 6 درصد نیتروژن پایداری دارد.

3.فاز بعدی زمانی شکل می‌گیرد که درصد نیتروژن بیش از 6 درصد باشد. فاز مذکور، نیترید اپسیلن نام دارد که با فرمول شیمایی Fe3N   تشکیل می‌شود. این فاز شکنندگی بالا و استحکام کمی دارد وتا حدود 11 درصد نیتروژن پایداری دارد.

4.فاز چهارم با فرمول شیمیایی Fe2N در درصد های بالای 11 درصد نیتروژن در دماهای کمتر از 500 درجه سانتی‌گراد  ایجاد خواهد شد. این فاز متالوژیکی که در طی عملیات حرارتی نیتراسیون تشکیل می‌گردد، نیترید‌ زتا نام دارد.

5.در دماهای بالاتر از 590 درجه سانتی‌گراد، افزون بر 4 فاز قبلی، فازی به نام نیترید گاما شکل خواهد گرفت. این فاز محلول جامد بین نشینی نیتروژن در آهن با شبکه بلوری FCC است.

تفاوت نیتراسیون با سمانتاسیون

 اگر که مقاله سخت‌کاری سطحی را مطالعه کرده باشید، می‌دانید یکی از روش‌های سخت کاری سطحی فلزات، سخت کاری با تغییر ترکیب شیمایی سطح قطعه فولادی یا  همان سخت‌کاری با نفوذ ترموشیمایی است. نیتراسیون و سمانتاسیون هر دو جزو روش‌های سخت کاری نفوذ ترمو شیمیایی هستند. در هردوی این روش‌ها با تغییر ترکیب شیمیایی سطح قطعه، به سختی مطلوب و مناسب می‌توانیم دست پیدا کنیم. اما این دو روش تفاوت‌هایی با هم دارند که عبارت اند از:

  1. اولین تفاوت این دو فرایند در آن است که در کربورایزینگ سختی سطح با نفوذ کربن اتمی و در نیتراسیون با نفوذ نیتروژن اتمی به سطح قطعه به دست می‌آید. بنابراین نوع پیوندهای شیمیایی ایجاد شده در طی این دو فرآیند عملیات حرارتی نیز متفاوت است.
  2. دومین تفاوت این دو فرآیند، مربوط به دمای انجام این دو عملیات حرارتی می‌باشد. به این صورت که کربن‌دهی باید در بازه دمایی که در آن آستنیت ساختارپایدار دارد یعنی 870 تا 930 درجه سانتی‌گراد انجام گردد. درحالی که فرآیند نیتروژن دهی در بازه دمایی پایین‌تری انجام می‌شود. فرآیند نیتراسیون  فولاد به‌طور معمول دربازه دمایی پایداری‌فریت یعنی حدود 490 تا 600 درجه سانتی‌گراد صورت می‌پذیرد.
  3. دومین تفاوت این دو فرآیند، مربوط به دمای انجام این دو عملیات حرارتی می‌باشد. به این صورت  که کربن‌دهی باید در بازه دمایی که در آن آستنیت ساختارپایدار دارد یعنی 870 تا 930 درجه سانتی‌گراد صورت بپذیرد. درحالی که فرآیند نیتروژن دهی در بازه دمایی پایین‌تری انجام می‌شود. فرآیند نیتروژن دهی به‌طور معمول دربازه دمایی پایداری‌فریت یعنی حدود 490 تا 600 درجه سانتی‌گراد صورت می‌پذیرد.
  4. همانطور که به آن اشاره شد در طی نیتروژن دهی به علت عدم تشکیل ساختار آستنیتی همچنین انجام فرآیند دردماهای پایین‌تر از دمای آستنیته و در نتیجه عدم نیاز به کوئنچ، کمترین اعوجاج درقطعات ایجاد خواهد شد. در واقع در نیتراسیون تنش کمتر یا مینیموم تنش را خواهیم داشت. به همین علت در طی این فرآیند نسبت به کربن‌دهی کنترل بهتر و دقیق‌تری بر روی فرآیند ‌می‌توانیم داشته باشیم.

جهت مطالعه بیشتر در رابطه با فرایند کربن دهی فولاد می‌توانید بر روی لینک زیر کلیک نمایید.

سمانتاسیون

روش‌های نیتراسیون فولاد

به صورت کلی عملیات حرارتی نیتراسیون فولاد به سه روش نیتراسیون گازی، نیتراسیون مایع و نیتراسیون پلاسمایی انجام می‌پذیرد. بسته به نوع قطعه‌ فولادی و کاربرد آن روش انجام عملیات نیتراسیون میتواند یکی از سه مورد ذکر شده باشد.

علاوه بر روش‌های ذکر شده، درگذشته انجام نیتراسیون پودری یا جامد نیز مرسوم بود. اما به علت انکه در اجرای این روش از نمک‌های سیانیدی که به شدت سمی هستند استفاده می‌شود، فرآیند نیتراسیون پودری مانند گذشته چندان رایج و مرسوم نیست.

نیتراسیون گازی

نیتراسیون گازی (Gas nitriding) یکی از روش‌های اصلی عملیات حرارتی نیتراسیون فولاد می‌باشد. در نیتراسیون گازی، نیتروژن مورد نیاز برای انجام فرآیند نفوذ دهی نیتروژن به سطح فولاد، از شکست گاز آمونیاک یا ترکیب گازهای نیتروژن و هیدروژن (N2+H2) تامین می‌شود. در واقع به این علت که در این روش نیتروژن به وسیله ماده نیتروژن ‌ده گازی تامین می‌گردد، این روش نیتراسیون‌گازی نامیده شده است. این روش به دو صورت تک مرحله‌ای و دو مرحله‌ای انجام پذیر است.

نیتراسیون گازی تک مرحله‌ای

نیتراسیون گازی تک مرحله ای  در مدت زمان حدودی 24 ساعت و در دمای 495 تا 525 درجه سانتی‌گراد انجام می‌پذیرد. اما به علت آن‌که دمای انجام روش تک مرحله ای پایین است، درصد تجزیه گاز آمونیاک در حدود 20 تا 30 درصد می‌باشد. به همین علت دراین روش لایه سفید تشکیل شده ضخامت به نسبت بالاتری خواهد داشت. درنهایت عمق لایه سطحی سخت‌کاری شده در این مرحله در حدود 0.2 تا 0.25 میلیمترخواهد بود. برای کاهش ضخامت لایه سفید ما به سراغ روش نیتراسیون دو مرحله‌ای می‌رویم.

نیتراسیون گازی دو مرحله ای

در روش نیتراسیون گازی دو مرحله ای، درجهت کاهش لایه سفید ایجاد شده، فرآیند نفوذ نیتروژن را در دو مرحله انجام می‌دهیم. مراحل انجام این فرآیند مشابه با روش تک مرحله‌ای خواهد بود. با این تفاوت که در مدت زمان کمتری انجام می‌گردد و در مراحل انتهایی فرایند دما به محدوده 550 تا 560 درجه سانتی‌گراد افزایش پیدا می‌کند. درجهت نفوذ بیشتر نیتروژن تا مدت زمان مشخصی قطعه فولادی در این محدوده دمایی نگه داری می‌شود.

برای بهبود راندمان نیتراسیون گازی بهتر است از دستگاه شکست گاز آمونیاک برای افزایش درصد تجزیه گاز آمونیاک از حدود 20 درصد به 70 درصد استفاده شود. با انجام نیتراسیون گازی دو مرحله ای، عمق نفوذ نیتروژن افزایش یافته و ضخامت لایه سفید تا حد بالایی کاهش پیدا می‌کند. اما باید در عین حال توجه داشت که با افزایش عمق نفوذ نیتروژن و تشکیل بیشتر نیتریدهای فلزی در عمق، از سختی سطح به نسبت کاسته می‌شود.