لایه های نیتروژن دهی چگونه تشکیل می‌شوند؟
فرآیند نیتروژن دهی یکی از مهم‌ترین عملیات‌های سطحی در مهندسی مواد است. در این فرآیند، لایه‌های نیتروژن دهی به‌صورت مرحله‌به‌مرحله روی سطح فلز شکل می‌گیرند و ساختار ویژه‌ای به وجود می‌آورند که به طور چشم‌گیری مقاومت به سایش و سختی سطح را افزایش می‌دهد.
تشکیل لایه‌های نیتروژن دهی توسط یکسری از مناطق رشد ایجادشده روی جوانه‌های اولیه در سطح فولاد آغاز می‌شود. این مناطقِ رشد هسته در نهایت به چیزی که «لایه ترکیبی» یا «لایه سفید» شناخته می‌شود، تبدیل می‌شوند. این لایه معمولاً بسیار سخت و شکننده است و شامل دو فاز مخلوط‌شده (نیتریدهای آهن ε و ′γ) می‌باشد. این لایه به داخل فولاد نفوذ نمی‌کند، بلکه بالای سطح باقی می‌ماند و با گذشت زمان ضخیم تر می‌شود. شماتیک نمونه نیتروژن دهی‌شده در شکل ۱ نشان داده شده است.
شکل ۱. شماتیک نمونه نیتروژن دهی‌شده
کربن موجود در فولاد، مورفولوژی فرآیند جوانه‌زایی را تغییر می‌دهد و با نیتریدهایی که زیر سطح تشکیل می‌شوند، یک فاز مخلوط ایجاد می‌کند. منطقه‌ای که بلافاصله زیر لایه سفید تشکیل می‌شود، «منطقه نفوذی» نام دارد. این منطقه از نیتریدهای پایدار تشکیل‌شده توسط واکنش نیتروژن با عناصر نیتریدزای موجود در فولاد ساخته شده است. زیر منطقه نفوذی، مغز فولاد قرار دارد که معمولاً از مارتنزیت تمپرشده تشکیل شده است. همه‌ی این سه ناحیه شامل لایه سفید، لایه نفوذی، و مغز فولاد، در شکل ۲ نمایش داده شده‌اند.
شکل ۲. لایه تشکیل‌شده در نمونة نیتروژن‌دهی‌شده
تشکیل نیتریدها با جوانه‌زایی ′γ در فصل مشترک سطح بالایی فولاد و اتمسفر نیتروژن‌دهی آغاز می‌شود. این فرآیند تا هسته‌زایی ε در فصل مشترک ادامه می‌یابد. فرآیندهای ذکرشده به‌طور شماتیک در شکل ۳ نشان داده شده است. نفوذ نیتروژن در لایه ترکیبی کندتر از مناطق زیرین است و همین موضوع اهمیت کنترل دقیق لایه‌های نیتروژن دهی را دوچندان می‌کند.
شکل ۳. هسته‌زایی نیتریدهای ′γ وε روی آهن
اثر کربن روی لایه ترکیبی: کربن مقدار ′γ و ε تشکیل‌شده در ساختار سطح را تغییر می‌دهد. در نیتروژن‌دهی فولادی با مقدار کربن تقریباً %0.4، نسبت فازها تقریباً برابر خواهد بود. هرچه مقدار کربن افزایش یابد، سهم فاز ε بیشتر می‌شود و در مقابل، کاهش کربن، مقدار فاز ′γ را افزایش می‌دهد. اگرچه کربن تأثیر زیادی بر ضخامت ندارد، اما بر نوع و نسبت فازهای تشکیل‌شده در لایه‌های نیتروژن دهی اثر مستقیم دارد.
کنترل ضخامت لایه‌های نیتروژن دهی
ضخامت لایه ترکیبی تا حد زیادی توسط پارامترهای فرآیند قابل کنترل است. روش‌هایی مانند نیتروژن‌دهی گازی دو مرحله‌ای (Floe) یا نیتروژن‌دهی پلاسمایی، کنترل بهتری روی ضخامت این لایه‌ها دارند. زمان، دما و ترکیب محیط از اصلی‌ترین عوامل مؤثر بر ضخامت لایه‌ها هستند. فرمول ساده‌شده هریس برای تخمین ضخامت لایه ترکیبی استفاده می‌شود:
t × f √ = ضخامت لایه ترکیبی
که در آن t زمان و f فاکتوری مرتبط با دماست. همچنین نوع فولاد در ضخامت لایه اثرگذار است. به طور مثال، در زمان و دمای یکسان، لایه ترکیبی روی فولادهای آلیاژی نازک‌تر از فولادهای کربنی ساده خواهد بود.
زیر لایه ترکیبی چه اتفاقی می‌افتد؟
در دمای نیتروژن دهی، نیتروژن در آهن α حل می‌شود و با عناصر آلیاژی نظیر آلومینیوم، مولیبدن، کروم، تنگستن، وانادیم و سیلیسیم واکنش می‌دهد. این عناصر نیتریدهای پایداری ایجاد می‌کنند که در «لایه نفوذی» قرار می‌گیرند. این نیتریدها سختی بسیار بالایی دارند و به‌طور مستقیم خواص مکانیکی سطح را بهبود می‌بخشند.