جستجو در تالارهای گفتگو

نيتروره كردن قطعات به روش پلاسما مهندسي سطح، فرايندي تحت كنترل است كه بر سطح قطعات صنعتي اعمال شده و قابليت سرويس‌دهي آنها افزايش مي‌يابد. ASM مهندسي سطح را عملياتي بر روي سطح و يا نواحي نزديك سطح تعريف كرده است. اين عمليات خواصي ممتاز در سطح ايجاد مي‌كند كه از خواص مغز ماده كاملاً متفاوت است. اين خواص با روش‌هاي متالورژيكي، مكانيكي، شيميايي و يا افزودن پوشش به سطح، قابل دست‌يابي است. نيتروژن‌دهي از جمله عمليات شيميايي است كه در دماي بالا در سطح تغييراتي ايجاد مي‌كند و به آن عمليات ترموشيميايي مي‌گويند. عمليات ترموشيميايي فولادها، اشباع قشر سطحي فولاد از عنصري معين است. نفوذ اين عنصر از يك محيط خارجي به داخل قطعه‌اي كه در دماي بالا گرم شده است انجام مي‌گيرد. نيتروژن‌دهي، به دو شاخه اصلي قابل تقسيم است: 1. روش‌هاي سنتي1 كه شامل سختكاري سطحي در محيط جامد، مايع و يا گازي براي انتقال جرم است. 2. روش‌هاي وابسته به پلاسما پلاسما، حالتي از ماده است كه پس از جامد، مايع و گاز مي‌توان آن را حالت چهارم ماده دانست. پلاسما از اجزاي باردار يعني يون‌ها و الكترون‌ها تشكيل شده است. حالت پلاسما را مي‌توان با گرم كردن گاز تا دماي چند صد هزار درجه ايجاد كرد. همچنين با به‌كار بردن الكتريسيته هم مي‌توان حالت پلاسما را براحتي با استفاده از تخليه نوراني ايجاد كرد. فرايند نيتروژن‌دهي پلاسمايي در نيتروژن‌دهي پلاسمايي صفحه نگهدارنده قطعات كه كاتد ناميده مي‌شود، به قطب منفي متصل مي‌شود و محفظه كه آند ناميده مي‌شود، به قطب مثبت متصل مي‌شود و پتانسيل آن برابر زمين است. محفظه خلاء مي‌شود و زماني كه گاز با تركيب مناسب و فشار كافي وارد محفظه شد (1 تا 10 تور) ولتاژ بين 500 تا 1000 ولت اعمال مي‌شود. گاز تهيج شده، يونيزه مي‌شود. در اين حالت، هاله‌اي نوراني2 اطراف قطعه را فرا مي‌گيرد. به همين علت، به اين فرايند نيتروژن‌دهي به‌وسيله تخليه نوراني نيز گفته مي‌شود. يون‌هاي مثبت نيتروژن كه درون هاله پلاسما ايجاد مي‌شوند، جذب قطعاتي مي‌شوند كه به كاتد متصل بوده و داراي پتانسيل منفي هستند. برخورد يون‌هاي نيتروژن به سطح قطعه باعث افزايش دماي قطعه تا دماي فرايند حدود 400 تا 500 درجه سانتي‌گراد و ايجاد شرايط لازم براي نفوذ مي‌شود. اسامي مختلفي براي نيتروژن‌دهي پلاسمايي ذكر شده است كه عبارتند از: 1. Plasma Nitriding 2. Glow Discharge Nitriding 3. Ion Nitriding اساس دستگاه نيتروژن‌دهي پلاسمايي شامل: 1. محفظه خلاء 2. منبع تغذيه 3. سيستم گاز شامل صفحه تركيب گاز و تجهيزات كنترل جريان گاز است براي اطمينان از عايق بودن قطعه‌كار از محفظه خلاء فيكسچرهاي خاصي به‌كار برده مي‌شود. براي كاهش زمان فرايند تجهيزات گرم‌كننده و خنك‌كننده اضافي هم به سيستم اضافه مي‌شود. سيستم كنترل در دستگاه نيتروژن‌دهي پلاسمايي پيچيده است و در دستگاه‌هاي مختلف، متفاوت است و از ريزپردازنده‌هاي خاص براي نمايش شرايط فرايند استفاده مي‌شود. اين عوامل، شامل دماي گاز، دماي جداره محفظه، فشار داخل محفظه، ولتاژ و جريان تخليه نوراني، ولتاژ و جريان گرم‌كننده‌هاي كمكي و تركيب گاز است. از ريزپردازنده‌ها براي توالي شروع به كار و توقف سوپاپ‌ها و موتورهايي كه روي ورودي و خروجي سيستم تأثير مي‌گذارند، استفاده مي‌شود. شمايي از دستگاه نيتروژن‌دهي پلاسمايي را در شكل 1 مشاهده مي‌كنيد. محفظه، براي تأمين خلاء طراحي شده و در اكثر مواقع داراي ديواره‌اي است دوجداره كه توسط آب خنك مي‌شود. محفظه مي‌تواند عمودي و يا افقي قرار بگيرد. بر روي جداره، منافذي براي مشاهده فرايند نيتروژن دهي در نظر گرفته مي‌شود. اين منافذ براي اطمينان در صحت انتخاب پارامترهاي فرايند ضروري است. از منابع تغذيه متفاوت نظير: DC، پالس DC و RF مي‌توان استفاده كرد. البته منبع تغذيه DC متداول‌ترين آنهاست. در بعضي موارد، بر اثر افزايش زياد ولتاژ و جريان، شاهد پديده قوس خواهيم بود. لذا سيستم Arc Detection به منظور كاهش ناگهاني ولتاژ در زمان پديد آمدن قوس، طراحي شده است تا جريان را كاهش دهد. زماني كه احتمال بروز قوس وجود داشته باشد، براي جلوگيري از آسيب ديدن قطعات خروجي منبع تغذيه قطع مي‌شود. اين عمل، با قرار دادن يك چك و SCRا3 در مسير، امكان‌پذير است. انرژي منبع تغذيه متناسب با ابعاد بار و حجم كوره، تنظيم مي‌شود. گازهايي كه براي نيتروژن‌دهي پلاسمايي مورد استفاده قرار مي‌گيرند، عبارتند از: نيتروژن، هيدروژن و گاهي متان. مكانيزم ايجاد اتمسفري با تركيب شيميايي مشخص، مي‌تواند با تزريق انواع گازها از درون يك روزنه با فشار ثابت و زمان‌هاي مختلف يا سيستم كنترل سيلان جرم4 انجام مي‌شود. فرايند نيتروژن‌دهي پلاسمايي در فشار بين 1 تا 10 تور انجام مي‌شود. كنترل در دو مرحله صورت مي‌گيرد: ابتدا به كمك سوپاپ سوزني موتوري در مدخل ورودي مخزن كه با صفحه اختلاط گاز سري است و سيلان گاز را تا رسيدن به فشار كاري كنترل مي‌كند و ديگري با تنظيم شير پمپ خلاء و كنترل قدرت مكش آن. افزايش دماي قطعات درون كوره پلاسما، به سه روش انجام مي‌شود: جريان‌هاي همرفتي، تابش و حرارت مستقيم با كمك پلاسما. افزايش فشار باعث مي‌شود تا ضخامت هاله پلاسما كاهش يابد. از اين پديده در صنعت استفاده مي‌شود و با تغيير فشار و نازك و ضخيم كردن هاله، سوراخ‌ها را به‌طور انتخابي نيتروژن‌دهي مي‌كنند. در صورتي كه ضخامت هاله در حد بحراني باشد، هاله كاتدي مربوط به دو سطح حفره بر روي هم همپوشاني مي‌كنند و چگالي جريان به‌طور موضعي بالا مي‌رود. به اين پديده Hallow Cathod گفته مي شود. دو مشخصه ويژه پلاسما كه باعث شده مورد توجه صنعت قرار بگيرد، دما و چگالي انرژي بالاي پلاسماست. همچنين، پلاسما با توليد گونه‌هاي فعال خاص باعث مي‌شود تا واكنش‌هاي شيميايي و تغييرات فيزيكي در سطح رخ دهد كه با روش‌هاي ديگر غيرممكن است. اين گونه‌هاي فعال، مي‌تواند شامل فوتون‌هاي فرابنفش و قابل رؤيت، ذرات باردار، شامل الكترون، يون و راديكال‌هاي آزاد، اتم‌هاي فعال و يا حالت‌هاي برانگيخته باشد. پلاسما به علت همراه داشتن همزمان جنبه‌هاي اقتصادي و فني، مورد توجه صنعت است. محصولات پلاسما كمترين آلودگي و ضايعات را دارند. در 1989 حدود 1300 تا 1600 دستگاه نيتروژن‌دهي به روش پلاسما در سراسر دنيا وجود داشت. اين امر نشان مي‌دهد كه مراحل رشد اين فرايند در مسير كلاسه شدن خود قرار گرفته است. اين دستگاه‌ها شامل نمونه‌هاي ساده آزمايشگاهي تا صنعتي هستند. يكي از علل گسترش سريع اين روش، طيف وسيع انواع مواردي است كه مي‌توانند با اين روش عمليات شوند. كيفيت قطعات پس از نيتروژن‌دهي پلاسمايي با روش‌هاي نويني مانند CVD و كاشت يوني قابل رقابت است. مزاياي نيتروژن‌دهي پلاسمايي 1. با كنترل پارامترهاي فرايند، امكان كنترل فازهاي تشكيل شده در سطح وجود دارد 2. نيتروژن‌دهي در دماهاي پايين، امكان‌پذير است. اين امر به ميزان بسيار زيادي از اعوجاج قطعات مي‌كاهد 3. لايه تشكيل شده منعطف‌تر است. بنابراين، چقرمگي شكست قطعه‌كار افزايش مي‌يابد 4. به‌سادگي مي‌توان سطوحي از قطعه را كه نبايد نيتروژن‌دهي شود پوشاند 5. اين روش هيچ ضرري براي محيط‌زيست ندارد 6. لايه تركيبي در نيتروژن‌دهي پلاسمايي به مراتب نازك‌تر از لايه تشكيل شده در نيتروژن‌دهي گازي است كه علت آن حذف مواد بر اثر كند و پاشش است 7. كاهش زمان فرايند 8 . قابليت حذف مرحله سنگ‌زني در پايان عمليات 9. قابليت ايجاد لايه‌هاي سخت شده با عمق يكنواخت در قطعات داراي هندسه پيچيده 10. كاهش مصرف گاز 11. اقتصادي بودن اين روش 12. سختي بالاي سطوح 13. مقاومت خوب در برابر سايش 14. حفظ سختي سطح تا دماهاي 600 تا 675 درجه سانتي‌گراد 15. مقاومت در برابر خوردگي، بويژه در‌ آب و بخار آب 16. عدم نياز به ديگر عمليات حرارتي 17. تميز و درخشان بودن سطح قطعه پس از عمليات 18. مقاومت خوب در برابر خستگي معايب نيتروژن‌دهي پلاسمايي 1. فولادهاي نيتروژن‌دهي، فولادهايي مخصوص بوده و گران هستند 2. قبل از نيتروژن‌دهي، عموماً بايد عمليات حرارتي مخصوصي براي ريز كردن دانه‌هاي فولاد, انجام گيرد 3. ضخامت قشر نيتروژن‌دهي شده بسيار نازك است و از حدود 3/0 ميلي‌متر تجاوز نمي‌كند 4. نياز به نيروي متخصص و ماهر براي اجراي فرايند 5. عدم قابليت تكرارپذيري براي قطعات بزرگ 6 . مشكل ايجاد دماي يكنواخت در تمامي نواحي قطعه 7. حرارت ديدن بيش از حد قطعات 8 . آسيب ديدن سطح به علت بروز قوس 9. رخ دادن پديده Hallow Cathod 10. مشكل بودن نيتروژن‌دهي قطعاتي با شكل و اندازه‌هاي متفاوت 11. پيچيده بودن نسبي دستگاه عمليات حرارتي 12. نياز به تميز كردن و گريس‌زدايي قبل از عمليات حرارتي 13. هزينه نسبتاً بالاي سرمايه‌گذاري كاربردهاي روش نيتروژن‌دهي پلاسمايي امكان بيان جزئيات موارد كاربرد نيتروژن‌دهي پلاسمايي، وجود ندارد. موارد مرسوم استفاده از نيتروژن‌دهي پلاسمايي در صنعت عبارتند از: 1.ابزارها مانند قالب فورج، اكستروژن، قالب‌هاي ريخته‌گري تحت فشار آلومينيم و ريل و بازوهاي هيدروليك 2. ماشين‌هاي صنعتي، ميله‌ها، پيستون، شفت، قلاويز و... 3. صنايع خودروسازي، ميل‌لنگ، سوپاپ، دنده‌هاي گيربكس، شفت، دنده‌هاي پمپ روغن، ميل بادامك، سرسيلندر و... شكل 2: نمونه‌اي از قطعات نيترون‌دهي به روش پلاسمايي پانوشت‌ها: 1. Conventional 2. Glow Discharge 3. Silicon – Controlled Rectifier 4. Mass Flow Control منابع : 1. J.R. Davis, "Surface engineering for corrosion and wear resistance", ASM & IOM communications, first printing March 2001. 2. مهدي طاهري، اصول عمليات حرارتي فولادها، 1377. 3. ASM handbook, heat treatment, ion nitriding. 4. J. Reece Roth, "Industrial plasms engineering", department of electrical and computer engineering university of Tennessee, Knoxville, Volume 1: principles. 5. Arnold H. Deutchman & Robert J. Partyka, Clifford Lewis, "ION nitriding and nitrogen ION implantation process characteristics and comprison", conference of ION nitriding and ION carburizing, 1989, PP 67-74.