تاریخچه فرآیند نیتروژن دهی

در اوایل سال‌های قرن بیستم، آدولف ماچلت – که در سِمت یک مهندس متالورژ برای شرکت گاز امریکا کار می‌کرد – دریافت که تکنیک سخت‌شدن سطحی کربن‌دهی به‌دلیل دوره‌های طولانی در دماهای بالا و به‌دنبال آن کوئنچ سریع در آب یا روغن، به مشکلات اعوجاج منجر می‌شود. ماچلت طی آزمایشی پی برد که نیتروژن در آهن حلالیت بالایی دارد. نفوذ نیتروژن سطح نسبتاً سختی را در آهن‌های ساده یا فولادهای کم‌آلیاژ ایجاد کرد و مقاومت‌به‌خوردگی را به‌طور قابل‌توجهی بهبود داد. این کار بدون قراردادن فولاد در معرض دماهای بالا و مهم‌تر از آن، بدون سردکردن سریع فولاد برای دستیابی به یک سطح سایشی سخت انجام شد. آمونیاک براثر حرارت تجزیه می‌شود تا نیتروژن لازم برای این فرایند آزاد شود. دیری نگذشت که ماچلت متوجه شد باید تجزیه را به‌دقت کنترل کند. او این کار را با استفاده از هیدروژن به‌عنوان یک گاز رقیق‌کننده برای کاهش مقدار نیتروژن موجود انجام داد که تا حدودی متالورژی لایة تشکیل‌شده را کنترل می‌کرد. نخستین درخواست ثبت اختراع برای توسعة فرایند نیتروژن‌دهی، در مارس ۱۹۰۸م. در الیزابت، نیوجرسی ثبت شد که سرانجام در ژوئن ۱۹۱۳م.، حدود پنج سال پس از درخواست اولیه، تأیید شد. ماچلت پیش از درخواست ثبت اختراع، چندین سال روی فرایند کار کرده بود و به توسعة فرایند جدید و درک خود از متالورژی فرایند حاصل ادامه می‌داد. عنوان این اختراع «نیتروژن‌دهی آهن و فولاد در گاز آمونیاک در حضور هیدروژن اضافه‌شده به اتمسفر» بود. اگرچه فعالیت‌های توسعه‌‌ای ماچلت و ثبت اختراع وی در مورد روش جدید نیتروژن‌دهی از نظر تکنولوژیکی مهم بود، کار او تا حد زیادی ناشناخته و گمنام باقی ماند؛ حتی امروزه، فعالان کمی در عرصة نیتروژن‌دهی می‌دانند او که بود و چه کارهایی انجام داد. اکثر متالورژهایی که با فرایند نیتروژن‌دهی آشنا هستند، آن را کار محقق آلمانی – آدولف فرای – می‌دانند که به‌عنوان «پدر نیتروژن‌دهی» شناخته شده است. درحالی‌که کار فرای بیشتر عمومیت پیدا کرده بود و روش‌هایش در بسیاری از مؤسسه‌های آکادمیک متالورژی معروف آموزش داده می‌شد، در واقع این ماچلت بود که نخستین پیشگام فرایند نیتروژن‌دهی بود. در سال ۱۹۰۶ در آلمان، یک برنامة تحقیقاتی در کارخانة فولاد کروپ در اسن تحت سرپرستی دکتر آدولف فرای در دست اجرا بود. فرای، مانند ماچلت، تشخیص داد که نیتروژن در دماهای بالا در آهن بسیار محلول است؛ او همچنین اوایل کارش تشخیص داد که عناصر آلیاژی به‌شدت در نتایج متالورژی و عملکردی تأثیرگذارند. فرای برای اولین‌بار در سال ۱۹۲۱ برای ثبت اختراع خود درخواست داد؛ سه سال بعد، جنگ جهانی اول به پایان رسید و حق ثبت اختراع او در مارس ۱۹۲۴م. اعطا شد. او از تکنیکی مشابه تکنیک ماچلت استفاده کرد که در آن منبع نیتروژن با حرارت شکسته می‌شد تا نیتروژن برای واکنش و نفوذ آزاد شود. فرای، همچون ماچلت، آمونیاک را به‌عنوان گاز منبع استفاده کرد، اما از هیدروژن به‌عنوان گاز رقیق‌کننده استفاده نکرد؛ به‌این‌ترتیب، فرایند نیتروژن‌دهی گازی تک‌مرحله‌ای همان‌طور که امروزه شناخته شده است، توسعه یافت. فرای سپس تأثیرات عناصر آلیاژی را روی سختی سطح بررسی کرد. او کشف کرد که فرایند نیتروژن‌دهی سختی سطحی بالا را فقط روی فولادهای حاوی کروم، مولیبدن، آلومینیوم، و تنگستن تولید می‌کند که این عناصر، تشکیل‌دهندة نیتریدهای پایدار هستند. او همچنین ماهیت بحرانی دمای فرایند را از نظر عمق لایه و متالورژی سطح دریافت. عملیات فولاد در دماهای بالاتر، سطح را در معرض خطر پدیده‌ای قرار داد که امروزه به‌عنوان شبکه‌های نیتریدی (Nitride Networks) شناخته می‌شود (محلول اشباع نیتروژن در نواحی ابتدایی لایة تشکیل‌شده). چون فولادهای با مقادیر آلیاژی بالاتر در دسترس نبودند، فرای از طرف کروپ مسئول توسعة گروهی از فولادها موسوم به فولادهای مخصوص نیتروژن‌دهی (Nitralloy) شد. این فولادها که به‌طور خاص به‌عنوان فولادهای نیتروژن‌دهی طراحی شدند، به‌زودی در سطح بین‌المللی شناخته شدند. نیتروژن‌دهی حمام نمک مدت کوتاهی پس از توسعة نیتروژن‌دهی گازی، جست‌وجو برای روش‌های جایگزین نیتروژن‌دهی آغاز شد. یکی از این روش‌ها استفاده از نمک مذاب به‌عنوان منبع نیتروژن بود. فرایند حمام نمک از اصل تجزیة سیانید به سیانات و آزادسازی نیتروژن در نمک برای نفوذ در سطح فولاد استفاده می‌کند. فرایند نیتروژن‌دهی پلاسمایی (یونی) فرایند نیتروژن‌دهی پلاسمایی (یونی) که از شیمی مشابه نیتروژن‌دهی گازی برخوردار است، از تخلیة پلاسمایی گازهای واکنش برای حرارت‌دادن سطح فولاد و تأمین یون‌های نیتروژن برای نیتروژن‌دهی استفاده می‌کند. شروع این فرایند به کار فیزیکدان آلمانی، دکتر ونهلد، برمی‌گردد. وی در سال ۱۹۳۲م. مفهومی را توسعه داد که آن را روش تخلیة نورانی (glow discharge) برای نیتروژن‌دهی نامید. ونهلد با مشکلات شدیدی مربوط به کنترل تخلیة نورانی مواجه شد. او سپس با دکتر برنهارد برگهاوس، فیزیکدان و کارآفرین سوئیسی، شریک شد. آن‌ها با یکدیگر فرایند را تثبیت و شرکت Klockner Ionen GmbH متخصص در ساخت تجهیزات نیتروژن‌دهی پلاسمایی را تأسیس کردند. اگرچه فرایند نیتروژن‌دهی پلاسمایی که توسط ونهلد و برگهاوس ایجاد شد، توسط صنعتگران آلمانی در طول جنگ جهانی دوم با موفقیت مورداستفاده قرار گرفت، به‌دلیل پیچیدگی زیاد فرایند، گران‌بودن، عدم ضمانت کافی برای حصول نتایج تکرارپذیر، فرایند به‌طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفت؛ در واقع، این فرایند تا ۱۹۷۰م. به‌ویژه در اروپا مورد پذیرش صنعتی قرار نگرفت. اهمیت فرایند تخلیة نورانی این بود که به تجزیه یا شکست گاز برای آزادکردن نیتروژن روی سطح فولاد متکی نبود، بلکه اساس فرایند یونیزاسیون گاز تک‌مولکولی نیتروژن و آزادسازی یون‌های نیتروژن بود. فرایند به‌دلیل آماده‌سازی سطح فولاد و یونیزاسیون گاز، زمان چرخة کوتاه‌تری را ارائه داد. در حال حاضر، نیتروژن‌دهی پلاسمایی به فولادهایی که عناصر آلیاژی تشکیل‌دهندة نیتریدهای خاص دارند، محدود نمی‌شود. امروزه، نیتروژن‌دهی پلاسمایی تقریباً روی تمام فولادها و چدن‌ها و همچنین فلزات نسوز، آلومینیوم (هنوز کاملاً تجاری نشده است)، و مواد آهنی زینترشده انجام می‌شود.