نیتریدینگ چیست؟

اساس نیتریدینگ

نیتریدینگ یک فرآیند عملیات حرارتی است که نیتروژن را در سطح فلز پخش می کند تا سطحی سخت شده ایجاد کند. نیتروژن اضافه شده، سختی و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد بدون اینکه تأثیر قابل توجهی بر خواص متالورژیکی هسته داشته باشد. در طول نیتروژن، فلز تا دمای 500-550 درجه سانتیگراد در یک فضای غنی از نیتروژن گرم می شود. نیتروژن تا عمق 0.5 میلی متری در سطح پخش می شود و با عناصر آلیاژی مانند آلومینیوم، وانادیم و کروم واکنش می دهد تا نیتریدهای سخت را تشکیل دهد. این نیتریدها سختی سطح را تا 1300 HV افزایش می دهند و مقاومت در برابر سایش و خوردگی را بهبود می بخشند.

اهداف نیتریدینگ

نیتریدینگ برای بهبود خواص سطحی فلزات برای چندین هدف کلیدی استفاده می شود:

افزایش سختی سطح

هدف اصلی نیتریدینگ افزایش سختی سطح فلزات است. نیتروژن اضافه شده با عناصر آلیاژی واکنش می دهد و ترکیبات نیترید سخت را تشکیل می دهد. این لایه انتشار سختی را تا 1300 HV افزایش می دهد که مقاومت در برابر سایش و ظرفیت بار را بهبود می بخشد.

بهبود قدرت خستگی

عمق محفظه سخت شده ایجاد شده توسط نیترید کردن، استحکام خستگی اجزایی مانند چرخ دنده ها و شفت ها را بهبود می بخشد. تنش های فشاری ایجاد شده در مورد نیترید شده باعث افزایش مقاومت در برابر شروع و انتشار ترک می شود.

افزایش مقاومت در برابر خوردگی

نیترید کردن مقاومت در برابر خوردگی را از دو طریق بهبود می بخشد. اول اینکه ترکیبات نیترید بسیار پایدار و بی اثر هستند. دوم، عمق لایه ایجاد شده توسط نیترید کردن تضمین می کند که در صورت فرسوده شدن لایه سطحی، ماده هسته بدون تأثیر باقی می ماند.

حداقل اعوجاج

بر خلاف روش‌های سخت‌سازی کوئنچ، نیتریدینگ نیازی به خنک کردن سریع قطعه ندارد. در نتیجه، نیترید کردن باعث ایجاد اعوجاج بسیار کمی یا تنش پسماند می شود که آن را برای اجزای با دقت بالا مناسب می کند. تغییرات ابعادی ناشی از نیتریدینگ ناچیز است.

انواع نیتریدینگ

چندین روش اصلی و تنوع فرآیند نیتریدینگ مورد استفاده در صنعت وجود دارد:

• نیتریدینگ گاز- در نیتروژن گازی، منبع نیتروژن از گاز آمونیاک به نیتروژن و هیدروژن جدا می شود. گاز آمونیاک ارزانتر از گاز نیتروژن خالص است. اجزاء تا 500 تا 590 درجه سانتیگراد در یک مخزن آب بندی شده با جریان آمونیاک کنترل شده گرم می شوند.
• نیتریدینگ پلاسما - نیتریدینگ پلاسما از تخلیه پلاسما تولید شده توسط منبع تغذیه با ولتاژ بالا برای ایجاد یون های نیتروژن فعال استفاده می کند. این امر باعث انتشار سریعتر در دماهای پایین تر 350-590 درجه سانتیگراد می شود. نیتریدینگ پلاسما کنترل دقیقی بر عمق کیس ارائه می دهد.
• نیتریدینگ حمام نمک در نیتروژن حمام نمک، منبع نیتروژن از تفکیک نمک های سیانید مانند NaCN به دست می آید. قطعات در حمام نمک سیانید مذاب که در دمای 580-590 درجه سانتیگراد نگهداری می شود غوطه ور می شوند. نیترید حمام نمک می تواند سختی بسیار بالایی را تا 1500 HV بدست آورد.
• نیتریدینگ بستر سیال - نیتروژن بستر سیال شامل تفکیک گاز آمونیاک در بستر پودر آلومینا سیال شده توسط جریان گاز است. این روش یکنواختی درجه حرارت عالی را در طول درمان فراهم می کند.
• سایر تغییرات - تغییرات دیگر عبارتند از نیتروکربور کردن که کربن را برای تشکیل کربنیتریدها اضافه می کند، پس از اکسید شدن برای تشکیل لایه های اکسید سیاه و نیتروژن در دمای پایین بین 350-380 درجه سانتی گراد. فرآیندهای هیبریدی مانند نیتروکربورسازی پلاسما نیز استفاده می شود.

مواد مناسب برای نیتریدینگ

نیتریدینگ را می توان برای طیف وسیعی از آلیاژهای آهنی و غیر آهنی اعمال کرد:

فولادهای کم کربن

فولادهای کم آلیاژ با کربن کمتر از 0.25% معمولاً برای افزایش سختی سطح و مقاومت در برابر سایش نیترید می شوند. محتوای کربن کم باعث کاهش تشکیل نیتریدهای آهن ناپایدار می شود. از نمونه های معروف می توان به فولادهای 1018، 4140 و 4340 اشاره کرد.

فولادهای ابزار

فولادهای ابزار شامل H13، P20 و D2 به دلیل سختی پذیری بالا و محتوای آلیاژی برای نیتریدینگ ایده آل هستند. نیترید کردن سختی، استحکام و طول عمر را در ابزار برای کاربردهای گرم یا سرد افزایش می دهد.

فولادهای ضد زنگ

فولادهای زنگ نزن سخت‌کننده مارتنزیتی و رسوبی مانند 410، 416، 420 و 17-4PH را می‌توان برای بهبود مقاومت در برابر سایش و خوردگی به طور موثر نیترید کرد. سختی سطح 1000-1400 HV را می توان به دست آورد.

آلیاژهای آلومینیوم

برخی از آلیاژهای آلومینیوم حاوی سیلیکون و منیزیم را می توان از طریق فرآیندی به نام نیتروکربورسازی نیترید کرد. این امر نیتروژن و کربن را به طور همزمان در آلیاژ پخش می کند.

آلیاژهای تیتانیوم

آلیاژهای تیتانیوم از جمله Ti-6Al-4V را می توان از طریق روش های پلاسما نیترید کرد. این یک لایه سطحی محافظ با سختی بالا ایجاد می کند بدون اینکه بر شکل پذیری هسته و چقرمگی شکست تأثیر بگذارد.

سایر آلیاژها

مواد دیگری مانند سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل، فولادهای ابزار و آلیاژهای کبالت نیز می توانند نیترید شوند. هم آلیاژهای آهنی و هم غیرآهنی با افزودنی های آلیاژی کافی برای تثبیت نیتریدها می توانند مفید باشند.

تجهیزات و مواد مصرفی برای نیتریدینگ

فرآیندهای نیتریدینگ از کوره های تخصصی، منابع گاز و تجهیزات نظارت بر دما استفاده می کنند:

• کوره های نیتروژن
  • کوره‌های جعبه‌ای یا کابینتی با مخزن‌های ضدگاز و عایق برای نیتراسیون گاز و پلاسما تا دمای 1000 درجه فارنهایت (590 درجه سانتی‌گراد).
  • کوره های حمام نمک مذاب برای نیتراسیون حمام نمک در حدود 1100 درجه فارنهایت (590 درجه سانتیگراد).
  • کوره های بستر سیال حاوی محیط های سرامیکی متخلخل برای نیتراسیون بستر سیال.
• گاز نیتروژن
  • گاز نیتروژن با خلوص بالا به عنوان منبع نیتروژن گازی.
  • گاز آمونیاک که برای نیتروژن گازی به نیتروژن و هیدروژن تجزیه می شود.
• لوازم برق
  • منبع تغذیه DC تا 1000 ولت و نرخ جریان بیش از 10,000 آمپر برای نیتریدینگ پلاسما.
• مانیتورینگ دما
  • ترموکوپل برای نظارت بر یکنواختی دمای کوره.
  • پیرومتر برای اندازه گیری دمای سطح اجزا.
• مواد مصرفی
  • نمک های سیانید برای نیترید کردن حمام نمک.
  • پودر آلومینا برای نیتریدینگ بستر سیال.
  • روغن کوئنچ، محلول های تمیز کننده، ابزار، وسایل و غیره.

تجهیزات مناسب برای کنترل جو نیتریدینگ، دما و مدت زمان برای دستیابی به عمق و خواص قابل تکرار ضروری است.

فرآیند نیتریدینگ

مراحل کلیدی در فرآیند نیتریدینگ معمولی عبارتند از:

1. تمیز کاری
   1. کثیفی، روغن، گریس، اکسیدها و سایر آلاینده ها را از طریق چربی زدایی، تمیز کردن قلیایی یا ترشی اسید از سطح اجزاء پاک کنید.
2. بار
   1. برای جلوگیری از آلودگی و اطمینان از قرار گرفتن در معرض مناسب، قطعات را با دقت در وسایل یا سبدها قرار دهید.
3. گرمایش و نگهداری
   1. با سرعت 400-800 درجه فارنهایت در ساعت (220-440 درجه سانتیگراد در ساعت) حرارت دهید تا به دمای نیتریدینگ برسید.
   2. در دمای نیتریدینگ نگه دارید تا قطعات کار به تعادل حرارتی برسند.
4. نیتریک کردن
   1. قطعه کار را در دمای نیتروژن دهی به مدت زمان مورد نیاز برای رسیدن به عمق مورد در محیط غنی از نیتروژن قرار دهید.
   2. گاز آمونیاک به نیتروژن و هیدروژن تبدیل می شود. پلاسما یون نیتروژن تولید می کند. نمک های سیانید نیتروژن آزاد می کنند.
5. خاموش شدن
   1. خنک شدن سریع مانند روغن برای حفظ ساختار نیترید شده. برای برخی از فرآیندها مورد نیاز نیست.
6. تخلیه و تمیز کردن
   1. قطعات کار را تخلیه کنید و با شستشو هرگونه باقیمانده از روغن کوئنچ یا نمک را پاک کنید.
   2. پس از درمان مانند سنگ زنی یا پرداخت استفاده کنید.

کنترل دقیق فرآیند برای به دست آوردن عمق مورد مورد نظر، به حداقل رساندن اعوجاج و اطمینان از تشکیل فاز نیترید مورد نیاز است.

کاربردهای صنعتی نیتریدینگ

برخی از کاربردهای صنعتی متداول نیتریدینگ در اجزای مکانیکی عبارتند از:

چرخ دنده ها

چرخ دنده های فولادی آلیاژی نیترید دارای سختی سطح و استحکام خستگی بالاتری هستند. در چرخ دنده های انتقال، چرخ دنده های بادامک، چرخ دنده های حلقه و غیره استفاده می شود.

بلبرینگ

نیترید کردن نژادهای یاتاقان، عناصر نورد و سطوح بلبرینگ مقاومت در برابر سایش و دوام را تحت بارگذاری چرخه ای بهبود می بخشد.

میل لنگ

نیتریدینگ استحکام خستگی فیله ها و ژورنال های میل لنگ را افزایش می دهد. مورد استفاده در موتورهای خودرو و دریایی.

پیستون

پیستون های آلومینیومی ریخته گری نیترید شده مقاومت در برابر خراش و مقاومت در برابر سایش چسب را در برابر دیواره های سیلندر افزایش می دهد.

سوپاپ

سایش بهبود یافته در سوپاپ های ورودی و خروجی موتورهای احتراق داخلی با سطح و میل سوپاپ نیترید شده.

ابزار برش

ابزارهای برش فولادی با سرعت بالا و کاربید پوشش داده شده با نیتریدینگ دارای سرعت حذف فلز و عمر بهتری هستند.

قالب ها و قالب ها

قالب ها و قالب های فولادی ابزار نیترید شده برای ریخته گری، آهنگری و مهر زنی دوام و عملکرد بهتری را نشان می دهد.

استفاده های دیگر

در مخازن تحت فشار، شفت ها، سیلندرها، بادامک ها، بست ها، محرک ها و اجزای قدرت سیال رایج است.

افزایش سختی سطح، مقاومت در برابر سایش، استحکام خستگی و مقاومت در برابر خوردگی، نیتریدینگ را برای قطعات مکانیکی حیاتی ایده آل می کند.

نیتریدینگ در جواهرات و لوازم جانبی

در حالی که کمتر از مصارف صنعتی رایج است، نیتریدینگ کاربردهای ویژه ای در جواهرات و لوازم جانبی مد دارد:

پایان سطح بهبود یافته

نیتریدینگ می تواند سطح صاف و یکنواختی را بر روی اجزای فلزی جواهرات مانند حلقه ها، دستبندها و قاب های ساعت ایجاد کند. این امر نیاز به پرداخت ثانویه را کاهش می دهد.

مقاومت در برابر خوردگی افزایش یافته است

لایه نیترید شده، مقاومت در برابر خوردگی جواهراتی را که در معرض رطوبت هستند مانند حلقه ها، دستبندها، زنجیرها و تسمه های فلزی ساعت بهبود می بخشد.

پوشش های دکوراتیو مشکی

سیاه‌کردن انتخابی سطوح اچ شده با نیترید کردن فولاد ضد زنگ یا تیتانیوم می‌تواند الگوهای تزئینی و برجسته‌ای روی جواهرات ایجاد کند.

سطوح سخت شده

مقاومت در برابر سایش برای اقلام جواهرات پرکاربرد مانند حلقه های مردانه و نوارهای ساعت فلزی از طریق سخت شدن سطح بهبود یافته است.

صرفه جویی در هزینه

در برخی فلزات، نیترید کردن ممکن است مزایای عملکردی نسبت به پوشش‌های آبکاری یا PVD برای هزینه کمتر داشته باشد.

درک مشتری

برخی از برندهای لوکس از نیتریدینگ برای مزایای درک شده از فناوری و پرداخت سطح استفاده می کنند.

در حالی که به اندازه صنایع تولیدی رایج نیست، نیتریدینگ می تواند مزایای عملکردی و زیبایی شناختی را برای کاربردهای منتخب جواهرات فراهم کند. کنترل مناسبی برای حفظ ظاهر فلزات جواهرات مورد نیاز است.

مقایسه با سایر فرآیندهای سخت شدن سطحی

نیتریدینگ با سایر فرآیندهای معمول سخت شدن سطح از چند جهت متفاوت است:

کربوهیدرات

کربورسازی کربن را به جای نیتروژن در سطح فولاد پخش می کند. این یک مورد مارتنزیتی سخت تر اما کمتر پایدار ایجاد می کند. نیترید کردن مقاومت در برابر خوردگی بهتری ایجاد می کند.

نیتروکربورسازی

Nitrocarburizing هر دو نیتروژن و کربن را به طور همزمان اضافه می کند. کیس کربنیترید ترکیبی می تواند مزایایی نسبت به هر کدام به تنهایی داشته باشد.

سخت شدن القایی

سخت شدن القایی از طریق القای الکترومغناطیسی به سرعت سطح را گرم و خاموش می کند. نیترید کردن عمق کیس عمیق تر و اعوجاج کمتری را فراهم می کند.

سخت شدن شعله

با سخت شدن شعله، مشعل های سوخت اکسی به سرعت سطح را قبل از خاموش شدن گرم می کنند. نیتریدینگ می تواند هندسه های پیچیده را به طور موثرتری سخت کند.

رسوب فیلم سخت

تکنیک‌های رسوب‌گذاری فیلم سخت مانند PVD، CVD، و پوشش‌های اسپری حرارتی، یک پوشش نازک سرامیکی را روی سطح می‌گذارند. نیتروژن نیتروژن را برای چسبندگی بهتر و مقاومت در برابر خستگی در خود فلز زیرلایه پخش می کند. با این حال، پوشش ها می توانند مزایای بیشتری مانند عایق یا مقاومت در برابر دمای بالا را ارائه دهند.