فرآیند نیتراسیون پلاسما در 1930 توسط آلمان ابداع شد ولی این موضوع در 1970 تجاری شد.
پلاسما چیست؟
پلاسما یا گاز یونیزه شده به محیطی گفته می شود که در آن اتم ها یا مولکول های گاز به اجزای باردار تشکیل دهنده اتم الکترون و یون تجزیه شده و این ذرات باردار بر یکدیگر تأثیر می گذارند تکنیک پلاسما بوسیلۀ تخلیه ها در آن بر روی سطح مشخص می شود این هاله در فشارهای پایین هنگامی که این قطعه کار و دیوارهای کوره یک اختلاف ولتاژ برقرار شود بوجود می آید به نحوی (Sample) (قطعه کار) پتانسیل منفی (کاتد) و دیواره فلزی کوره پتانسیل مثبت (آند) دارد کوره در ابتدا توسط پمپ، خلاء می شود و پس از آن با یک مخلوط گاز به فشار 1 تا 10 Torr می رسد همچنین یک ولتاژ بین 200 تا 1000 ولت به کار برده می شود که درنتیجه آن گازها در بین قطعه و دیواره یونیزه می شوند اختلاف پتانسیل به کار برده شده باعث شتاب یون ها به طرف سطح قطعه کار می شود و سطح قطعه بمباران یونی می شود که میتواند باعث تغییر ساختار و یا ترکیب شیمیایی سطح شود وقتی که یون ها شتاب می گیرند و به سطح اصابت می کنند مقدار زیادی از انرژی آنها به گرما تبدیل می شود و دمای قطعه افزایش می یابد.
یتراسیون عبارت است از وارد کردن نیتروژن اتمی در لایه ی سطحی فولاد است. بنابراین سختی سطح در این روش بستگی به نیترید فلزی تشکیل شده دارد. در حالی که امکان نیتراسیون برای بسیاری از فولادها وجود دارد، تنها در صورتی می توان سختی زیاد در سطح به دست آورد که قطعه مورد نظر از جنس فولادهای آلیاژی مخصوص، شامل عناصر آلیاژی نظیر آلومینیوم، کرم، مولیبدن و یا وانادیوم باشد. این عناصر در سطح قطعه به محض تماس پیدا کردن با نیتروژن اتمی با آن ترکیب شده و تشکیل نیتریدهای پایدار و سخت میدهند.
تفاوتهای عملیات حرارتی کربن دهی و نیتراسیون:
برخی از تفاوتهای عملیات حرارتی کربن دهی و نیتراسیون عبارتند از کربن دهی باید در گسترهی دمایی آستنیت (875 تا 925 درجه سانتیگراد) انجام شود، در حالی که نیتراسیون را میتوان در گسترهی دمایی پایداری فریت (550 تا 650 درجه سانتیگراد) انجام داد. به علاوه، در نیتراسیون نیاز به سریع سرد کردن قطعه نیست. معمولا قطعات نیتراسیون شده را پس از پایان عملیات و از دمای نیتراسیون در هوا سرد میکنند.
اگر فولادهای کربنی ساده نیتراته شوند، سختی سطحی در حد متوسط ( در حدود HV400 ) افزایش مییابد. دلیل این موضوع این است که در دمای نیتراسیون ، نیتروژن نسبتا سریع به داخل فولاد نفوذ کرده و تشکیل نیترید آهن میدهد. از آنجایی که نیتریدهای یاد شده در عمق نسبتا زیادی پراکنده میشوند، سختی سطح را نمیتوانند در حد زیادی افزایش دهند. آلومینیوم و تا حدودی کرم، وانادیوم و مولیبدن میل ترکیبی زیادی با نیترژون دارند، بنابراین از نفوذ آن به داخل قطعه جلوگیری کرده و تشکیل یک لایهی نازک نسبتا پایدار (تا حداکثر 1 میلیمتر) و سخت نیتریدی بر روی سطح قطعه میدهند.
با افزایش درصد این عناصر آلیاژی سختی سطح نیتراته شده افزایش یافته درحالی که ضخامت لایهی نیتراته شده کاهش مییابد. از آنجایی که نیترید کرم در مقایسه با نیترید آلومینیوم تا عمق بیشتری تشکیل میشود، وجود این عنصر آلیاژی باعث جلوگیری از تغییر سریع ترکیب شیمیایی و افت ناگهانی سختی از پوسته سخت شده به مغز سخت نشده میشود و بنابراین احتمال پوسته شدن سطح را کاهش میدهد. مولیبدن علاوه بر مشارکت در سخت کردن سطح، باعث افزایش چقرمگی مغز قطعه نیز میشود.
برای نیتراسیون موضعی، مناطقی که نیاز به نیتروژندهی نداشته باشند را توسط مخلوطی از سیلیکات سدیم و پودر گچ پوشش میدهند.
در حال حاضر عملیات نیتراسیون به سه روش انجام میگیرد:
1)نیتراسیون پلاسما
2)نیتراسیون گازی
3)نیتراسیون حمام نمک
نیتراسیون پلاسما
سیکل نیتراسیون با قرار دادن قطعات در محفظه کوره آغاز شده و محفظه در میزان مورد نظر، تحت خلا قرار می گیرد. با رسیدن به سطح مطلوب خلا در محفظه کوره، گاز فرایند برای انجام عملیات پیش گرمایش وارد محفظه می شود. پیش گرمایش در گستره دمایی 400 تا 450 درجه سانتی گراد انجام می گردد.با اتمام فرایند پیش گرمایش، قطعات تحت بمباران یونی، آلودگی زدایی شده و سطح آن ها تمیز می شود.گاز عملیات تحت اختلاف ولتاژ بین قطعات و دیواره کوره یونیزه شده و برخورد یون های شتاب گرفته با سطح قطعه موجب بر طرف شدن ذرات آلودگی می شود. با انجام تمیزکاری سطح قطعات، امکان آغاز فرایند نیتراسیون ایجاد می گردد.
شار کنترل شده ای از نیتروژن، هیدروژن و متان وارد محفظه شده و تحت اختلاف ولتاژ موجود بین محفظه و قطعات یونیزه می شود. پلاسمای ناشی از یونیزاسیون گازها، هاله ای بنفش و زیبا را در اطراف قطعات ایجاد می کند. ترکیبی از حرارت و انرژی پلاسما موجود انجام واکنش بین نیتروژن و عناصر نیترید زای موجود در قطعه کار خواهد شد.
انجام واکنش بین گاز نیتروژن و قطعه کار، لایه ای مقاوم به سایش (لایه سفید) حاوی فازهای اپسیلون و گاما (نیترید های آهن) بسته به نوع گازهای موجود در محفظه بر روی قطعه شکل می گیرد. در ادامه لایه های نیترید عناصر آلیاژي موجود در فولاد در نواحی زیرین لایه نیترید آهن تشکیل می شود. با اینکه لایه سفید، لایه ای مقاوم به سایش است ولی در شرایط عملکرد تحت ضربات مکانیکی خرد شده و سایش را تشدید می کند. به همین دلیل در برخی کاربردهای قطعات تحت ضربه تمایل زیادی به حذف این لایه وجود دارد. نیتراسیون پلاسمایی تنها فرایند قادر به حذف کنترل شده این لایه است.
فرایند نیتراسیون پلاسمایی قادر به ایجاد عدد سختی در گستره 55 تا بیش از 70 راکول سی بوده و قطعات عملیات شده با این فرایند عاری از اعوجاج هستند. به دلیل امکان کاهش دما در این فرایند در مقایسه با فرایندهای سنتی ، قطعات سختی بالاتری یافته و پایداری ابعادی خود را حفظ می نمایند.
مزایای نیتراسیون پلاسمایی:
افزایش مقاومت سایشی.
افزایش استحکام سختی.
کاهش زمان عملیات نیتراسیون تا 1/3.
افزایش سختی سطحی (400 تا 1200 ویکرز).
کاهش ضریب اصطکاک و ایجاد صافی سطحی مطلوب.
عدم اعوجاج در قطعات.
افزایش مقاومت به خوردگی.
عدم نیاز به آماده سازی ویژه قبل از عملیات نیتراسیون پلاسمایی.
عدم نیاز به عملیات ماشینکاری پس از عملیات نیتراسیون پلاسمایی.
عمق نیتراسیون تا 0.6 میلیمتر.
کاربردهای نیتراسیون پلاسمایی:
انواع چرخ دنده، قطعات خودرو نظیر میل لنگ، میل بادامک، میل سوپاپ و غیره.
انواع ابزارهای فولادی نظیر مته، تیغ اره، سنبه اکستروژن و سوراخ کاری، ابزارهای برشی تندبر نظیر ابزار هاب، شیپرکاتر وتیغه فرز.
قالب های اکستروژن آلومینیوم، قالب های تزریق و ریخته گری تحت فشار، قالب های فورج و قالب های نورد پیچ
قطعات متالوژی پودر.
انواع فنر.
قطعات پمپ و والو.
شافت های هرزگرد.
مقایسه نیتراسیون پلاسمایی و نیتراسیون گازی :
درعملیات نیتراسیون پلاسمایی، مقاومت سایشی بسیار بالا در سطح قطعه بدون تردی سطح ایجاد می شود که به دلیل کنترل دقیق ضخامت لایه سفید در این فرایند می باشد ولی در روش نیتراسیون گازی، لایه سفید ترد و شکننده با ضخامت بیشتری تشکیل شده و به این علت نیاز به عملیات ماشین کاری جهت برطرف نمودن این لایه اجتناب ناپذیر خواهد بود. در قطعات با هندسه پیچیده، نیتراسیون پلاسمایی با ایجاد تخلیه هاله ای اطراف قطعه موجب ایجاد عمق نفوذ و سختی یکنواخت در تمامی سطح قطعه می شود ولی در روش نیتراسیون گازی عمق نفوذ در قطعات با شکل پیچیده، غیر یکنواخت می باشد.
صافی سطح قطعات در روش نیتراسیون پلاسمایی تغییری نمی یابد در صورتی که نیتراسیون گازی زبری سطح قطعات را افزایش خواهد داد. نیتراسیون پلاسمایی را برای اکثر مواد نظیر چدن ها، فولاد های آلیاژی و غیر آلیازی و فولاد های زنگ نزن میتوان اعمال کرد. به علت دمای پایین فرایند نیتراسیون پلاسمایی، اعوجاج کمتری در قطعات به وجود آمده ولی در نیتراسیون گازی به علت بالاتر بودن دمای فرایند، اعوجاج و تغییرات ابعادی بیشتری ایجاد خواهد شد.
