تقسیم بندی روش های نیتروژن دهی بر اساس چگونگی تولید نیتروژن اتمی انجام می گیرد. این روش ها عبارتند از:
1 – نیتروژن دهی جامد
2 – نیتروژن دهی مایع
3 – نیتروژن دهی گازی
4 – نیتروژن دهی پلاسمایی
در این بخش سه روش اول با اختصار و روش آخر به صورت جامع بیان گردیده است.
1. نیتروژن دهی جامد
در نیتروژن دهی جامد، قطعه مورد
نظر در جعبه هایی مشابه جعبه های سمانتاسیون قرار داده می شود. ابتدا در سه جعبه،
در حدود 15 درصد وزنی فعال کننده قرار داده، سپس روی آن لایه ای از پودر نیترید
کننده (که عمدتاً نمک های سیانیدی می باشد) می ریزند و سپس قطعات را درون جعبه می
گذارند، مجدداً پودر نیترید کننده افزوده شده و به همین ترتیب یک لایه پودر و یک
ردیف از قطعات گذاشته می شود تا جعبه پر شود. سپس درب جعبه تا حد امکان محکم بسته
شده و در کوره ای با دمای 
570 – 520 حرارت داده می شود. زمان انجام فرآیند در
حدود 12 ساعت می باشد.
2. نیتروژن دهی مایع
در این روش سیانید مذاب به عنوان
محیط تامین کننده نیتروژن عمل نموده و دمای عملیات نیز در محدوده 580 – 510 می باشد. نمک های مصرفی، همان نمک های مورد
استفاده در کربن دهی می باشد اما به سبب اعمال دمای پایین تر، نفوذ نیتروژن
سریعتر از نفوذ کربن صورت گرفته و عملیات نیتروژن دهی انجام می گردد. ترکیب این
حمامها هم می توانند از نمک های سیانید و هم نمک های سیاناتی باشد ترکیب عمومی این
حمام ها از NaCN 60-70%، KCN % 40 – 30 به همراه مقدار کمی Na2CO3، NaCN، K2CO3، KCNO و KCl تشکیل شده
است. حمام نمک قبل از انجام عملیات پیرسازی می گردد. پیرسازی موجب کاهش محتوای
سیانید و کربنات حمام می گردد. پیرسازی اغلب در محدوده 595 – 565 انجام می گیرد و زمان آن 12 ساعت می باشد.
نشان داده شده است که سرعت نیتروژن دهی و خواص لایه نیتریده به نسبت سیانید به
سیانات و مقدار سیانات موجود در حمام بستگی دارد.
3. نیتروژن دهی گازی
در این فرآیند، قطعات توسط گیره
هایی درون یک کوره قرار گرفته و عملیات در دمای 565 – 500 و برای زمان 10 – 1 ساعت انجام می گیرد. پس
از شروع گرمادهی به کوره و قبل از رسیدن به دمای 150، باید هوای موجود در کوره از آن خارج گردد. این
عمل از اکسید شدن سطح قطعات و اجزاء کوره در حین عملیات جلوگیری می کند. گاز
آمونیاک خشک (99/98% NH3) توسط یک
دمنده در کوره دمیده شده و در سطح قطعه تجزیه می گردد و در اثر انجام واکنش با
عناصر آلیاژی، نیتریدهای مختلف ایجاد می شود. نیتروژن در لحظه تجزیه آمونیاک به
صورت اتمی می باشد و می تواند توسط فولاد جذب شود. نیتروژن دهی گازی برای حصول عمق
سختی در حد 2/0 تا 7/0 میلی متر به کار رفته و برای کنترل هر چه بیشتر دما از
کوره الکتریکی استفاده می گردد. نیتروژن دهی گازی به دو روش انجام می گیرد:
1 – نیتروژن دهی یک مرحله ای: در
این روش، تجزیه آمونیاک حدود %30 – 15 و دمای کاری حدود 525 – 50 می باشد. ضخامت لایه سفید در این حالت زیاد و
در حدود 5 میلیمترمی باشد که موجب ترد شدن قطعه می گردد.
2 – نیتروژن دهی دو مرحله ای:
این فرآیند که به Floe Process معروف است
موجب به حداقل رسانیدن لایه سفید می گردد (5-15 میلیمتر) مرحله اول شامل یک عملیات
حرارتی در دمای 525 با 20 درصد تجزیه آمونیاک و به مدت 10 – 5 ساعت می
باشد. در مرحله دوم دما تا 550 درجه سانتی گراد بالا برده می شود و میزان تجزیه
آمونیاک 80 تا 85 درصد خواهد بود.
4. نیتروژن‌دهی پلاسمایی
نیتروژن‌دهی پلاسمایی نیز یکی از روش های نیتروژن دهی است که برای افزایش سختی سطح فلزات استفاده می‌شود. تاریخچه پیدایش نیتروژن‌دهی پلاسمایی به این شرح می‌باشد:
1 – در دهه 1920 در آلمان مساله انجام پذیر بودن کار حرارتی توسط تخلیه یونی در یک گاز خنثی کشف شد.
2 – در اواخر دهه 1920 و اوایل دهه 1930، برنارد برگهاوس در آلمان با موفقیت کامل پارامترهای این فرایند را مورد بررسی قرار داد.
3 – پس از جنگ جهانی دوم، پیشرفت های حاصله در الکترونیک و پی بردن به خواص متالورژیکی منحصر به فرد حاصله از نیتروژن‌دهی پلاسمایی، منجر به استفاده وسیع از این فرایند در کشورهایی نظیر آلمان، روسیه، ژاپن و چین شد.
امروزه نیتروژن دهی پلاسمایی در مقیاس وسیعی در صنایع مربوط به آهن، فولاد، چدن و محصولات متالورژی پودر آهن همچنین در بعضی آلیاژها مثل آلومینیوم و تیتانیوم مورد استفاده واقع می شود. به دلیل استفاده از پلاسمای یک تخلیه نورانی در این روش می توان خواص بسیار متغیری را بر روی قطعه ایجاد کرد. همچنین به دلیل وجود متغیرهای عملیاتی متعدد در این فرآیند می توان ساختارهایی همراه با خواص ویژه در آن بدست آورد که با روش های نیتروژن دهی متعارف (گازی و مایع) ایجاد آن ممکن نیست. به همین دلیل در اکثر موارد نیتروژن دهی پلاسمایی بر سایر روش های نیتروژن دهی ترجیح داده می شود.
عملیات نیتروژن دهی پلاسمایی در
یک محفظه با فشار درحدود 1 میلی بار (برابر pa 100و یا Torr1) انجام
می شود. با ایجاد حالت پلاسما در بین دو الکترودی که در محفظه تعبیه شده اند، گاز
نیتروژن یونیزه شده و به سطح قطعه که در کاتد قرار گرفته، با سرعت بالا برخورد می
کند، بمباران سطح قطعه توسط این یون ها باعث تمیزی آن بوسیله مکانیزم کندوپاش می
شود. سپس نیتروژن اتمی در سطح قطعه نفوذ کرده و لایه های مختلف نیتریده را بر روی
آن پدید می آورد. گاهی اوقات علاوه بر نیتروژن گازهای دیگری نیز در فرایند استفاده
می‌شود نیتروژن یونیزه شده یک هاله بنفش در اطراف قطعه مورد نظر تشکیل می‌دهد.
برای انجام این فرایند یک محفظه خلاء (برای جلوگیری از ورود گازهای آلاینده نظیر
اکسیژن)، یک منبع تغذیه DC با ولتاژ
بالا، یک سیستم توزیع گاز و یک سیستم کنترل فشار مورد نیاز است. قطعه مورد نظر بر
روی صفحه مرکزی دستگاه قرار گرفته و این صفحه به پتانسیل منفی وصل شده و به عنوان
کاتد[1] عمل می‌کند.
محفظه به عنوان آند[2]
به پتانسیل مثبت اتصال می‌یابد. این فرایند نفوذی در محدوده حرارتی 570 – 450 انجام می شود و مستلزم حرارت دادن تا ناحیه
آستنیت و سرد کردن سریع نیست، لذا احتمال تاب برداشتن حداقل می باشد.
مصطفی مقداری
