نیتراسیون و آرکور

سختکاری سطحی نوعی عملیات حرارتی است که با سخت کردن سطح، خواصی نظیر مقاومت سایشی را افزایش داده و سختی کمتر مغز، خواصی مانند چقرمگی و عدم تردی و شکنندگی را مهیا می نماید. سختکاری سطحی یا با استفاده از عناصر موجود در فولاد و یا نفوذ عناصر اضافی مانند کربن و نیتروژن انجام می گیرد. بیشتر روشهای سختکاری با تغییر فاز همراه است که در نتیجه آن تغییر ابعاد و عیوبی مانند تابیدگی رخ می دهد.

 

در روشی منحصر به فرد، سختکاری سطحی به کمک نفوذ نیتروژن و تشکیل فازهای نیترید آهن (گاماپرین و اپسیلن)و یا نیتریدهای عناصر آلیاژی موجود در فولاد صورت می پذیرد. حسن این روش در این است که نفوذ نیتروژن در دماهای پایین انجام می گیرد و در طی سختکاری نیازی به عملیات کوئنچ نیست. بنابراین تغییر ابعاد و اعوجاج و تنشهای باقیمانده حین سختکاری وجود ندارد و لذا ماشینکاری پس از سختکاری، از فرآیند تولید حذف می شود.

در گذشته تنها فولادهای حاوی وانادیوم و آلومینیوم که سختی سطحی بسیار بالا ایجاد می کردند نیتروره می شدند. ولی امروزه همه فولادها از آهن تا زنگ نزن ها نیتروره می شوند.

نیتراسیون و آرکور (نمونه قطعات)⇐

 


نیتراسیون، باعث ايجاد يك لايه تركيبي(Compound Layer) در سطح خارجي و يك لايه نفوذي(Diffusion Layer) مي‌شود. حداکثر ضخامت مناسب لايه ترکیبی حدود 20μm و سختی آن بسته به جنس فولاد بین 1200-800 ویکرز است. حداکثر ضخامت لايه نفوذی(مؤثر) حدود 400μm و سختی آن حدود 200-100 ویکرز بیشتر از سختی مغز قطعه است. لایه نفوذی علی رغم سختی نه چندان زیاد، بسیار مقاوم به سایش است.

تصویر زیر، عکس میکروسکوپی نمونه متالوگرافی شده از لایه ترکیبی ایجاد شده بر روی سطح فولاد CK45 تحت 90 دقیقه عملیات تفتراید می باشد.

 

لایه ترکیبی در نیتراسیونلایه ترکیبی (سفید) در نیتتراسیون

 

 

 

در برخی گزارشهای قدیمی حداکثر ضخامتی که نیتروژن به آن نفوذ می کند (غیرمؤثر) را اعلام می کنند که تا حدود   1mm است.

نمودار ذیل پروفایل سختی عمومی فولادها را نمایش می دهد. در قسمت لایه سفید، سختی بسیار بالا است ولی در بخش لایه نفوذی، سختی علی رغم مقاومت به سایش عالی خیلی بالا نیست.
 

نمودار پروفایل سختی و ضخامت لایه نیتراسیون

 

در بسیاری از گزارش ها و مقالات نسبت به حذف لایه سفید به علت سختی بالا و ایجاد تردی لایه توصیه گردیده است! و با حذف لایه سفید سخت، به مقاومت سایشی و خستگی که در لایه نفوذی ایجاد می شود بسنده می شود!

باید توجه داشت این موضوع بیشتر به نیتروژن دهی گازی معطوف است. در نیتراسیون به روش گازی، اغلب لایه سفید ایجاد شده از نوع γَ (گاماپرین) است. و حذف لایه سفید با صرفنظر کردن از یک سختی بالا به قیمت از بین بردن ترکهای احتمالی موثر است. ولی در روش نیتراسیون حمام نمک با انباشت بیشتر نیتروژن در سطح، لایه ترکیبی از نوع ε (اپسیلن) تشکیل می شود. این لایه علاوه بر سختی بالا، انعطاف پذیری مناسبی نیز دارد و این یکی از مزیتهای مهم روش نیتراسیون مایع است. در انواع دیگر روشهای نیتراته کردن، تشکیل لایه یکنواخت ε دشوار است در حالیکه حمام نمک عمومآ به تشکیل لایه ε تمایل دارد. در شکل زیر نمودار حد حلالیت نیتروژن در آهن را که اصطلاحآ دیاگرام آهن-نیتروژن می نامند ملاحظه می کنید.

 

دیاگرام آهن- نیتروژن

دیاگرام Fe - N

در روش نیتراسیون گازی سنتی (کنترل نشده) گاهی لایه ζ (زتا) ایجاد می شود که در نگاه اول، ضخامت بالا و سختی بالای آن جلب توجه می نماید. ضخامتهای بیش از  100μm  همراه با سختی بالا که گاهی در فولادهای ساده کربنی بیش از 50HRC (اندازه گیری مستقیم به روش راکولC) می رسد نشان دهنده لایه بسیار ترد ζ است. این لایه ترد و شکننده اصلا هدف انجام نیتراسیون نیست و تقریبآ به علت شکنندگی بالا هیچ کاربرد صنعتی ندارد. حداکثر ضخامت لایه سفید مناسب از نوع اپسیلن، 15μm برای فولادهای ساده کربنی و کم آلیاژ است که گاهی تا 20μm هم مجاز است.

روش صحیح سختی سنجی عملیات نیتراسیون به علت ضخامت کم، به روش میکروسختی سنجی بر مقطع لایه سفید و تحت استاندارهای SAE 7140 یا ASTM E384 صورت می پذیرد. گاهی سختی سنجی میکرو به صورت مستقیم از روی سطح برای بررسی ضخامت و کیفیت لایه سفید انجام می شود و گاهی سختی سنجی ماکرو به عنوان نشان دهنده ترکیبی از کیفیت سختی لایه سفید و نفوذی و ضخامت آنها تعریف می شود. این روش سختی سنجی اغلب برای هر قطعه خاص و کنترل کیفیت سریع آن تعریف می شود و به دیگر قطعات قابل تعمیم نیست.

برای آشنایی بهتر با خواصی که در اثر نفوذ نیتروژن به سطح آهن و چدن و فولاد بدست می آید به بخش نیتراسیون مراجعه فرمایید.

 


 

آرکور

اگر یک لایه اکسید آهن مغناطیسی پیوسته و چگال بر روی سطح نیتروره شده تشکیل شود مقاومت به خوردگی بسیار بالایی علاوه بر حفظ خواص نیتروره ایجاد می شود که به آرکور معروف است. نامهای دیگر این پروسه QPQ (کوينچ پولیش کوينچ) و پست اکسیداسیون می باشد. همه نامهای تجاری زیر همان فرآیند آرکور هستند که در هر شرکتی با نام متفاوتی عرضه می گردد:

TENIFER -

TUFFTRIDE -

MELONITE -

CLIN -

NITROTEC -

SURSULF -

BLACKNITE -

SULFINUZ -

SNC -

NITROBLACK -

OXYNIT -

جهت آشنایی بیشتر با فرآیند پست اکسیداسیون، به بخش آرکور مراجعه فرمایید.