فرآیند نیتروکاربوراسیون پلاسمایی

نیتروکاربوراسیون پلاسمایی (به انگلیسی: Plasma Nitrocarburizing) یکی از روش‌های پیشرفتهٔ عملیات حرارتی سطحی است که با هدف افزایش سختی، مقاومت به سایش، کاهش اصطکاک و بهبود مقاومت به خوردگی سطح فلزات، به‌ویژه فولادها، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این فرآیند از محیط پلاسما (گاز یونیزه‌شده) برای فعال‌سازی سطح و نفوذ اتم‌های نیتروژن و کربن بهره گرفته می‌شود.

این فناوری که ترکیبی از علم مواد، مهندسی مکانیک، مهندسی سطح و فناوری خلأ است، در تولید قطعات با عمر طولانی، عملکرد پایدار و هزینه نگهداری پایین بسیار مؤثر است. این روش در دمایی پایین‌تر از دمای تحول فازی فولاد (حدود ۴۲۰ تا ۶۰۰ درجه سلسیوس) انجام می‌شود و به همین دلیل نسبت به سایر روش‌های سخت‌کاری سطحی، اعوجاج کمتری در قطعه ایجاد می‌کند.thumb|250px|تجهیزات نیتروکاربوراسیون پلاسما – نمایی از دستگاه فرآیند
thumb|250px|کوره پلاسما برای نیتروکاربوراسیون فریتی

 اصول فرآیند 
در فرآیند نیتروکاربوراسیون پلاسمایی، قطعهٔ فلزی به‌عنوان کاتد و دیوارهٔ محفظه به‌عنوان آند در محفظه‌ای با فشار پایین قرار می‌گیرد. با اعمال ولتاژ بالا (۴۰۰ تا ۷۰۰ ولت)، بین الکترودها تخلیه الکتریکی ایجاد شده و باعث یونیزه شدن گازهایی مانند نیتروژن، هیدروژن و متان می‌شود. این پلاسما حاوی یون‌ها و رادیکال‌های فعال است که با سطح قطعه برخورد کرده و موجب فعال‌سازی آن و سپس نفوذ نیتروژن و کربن می‌شوند.

 ساختار لایه‌ای ایجادشده 
پس از انجام فرآیند، معمولاً دو لایهٔ اصلی بر روی سطح تشکیل می‌شود:
 لایهٔ مرکب (Compound Layer): شامل فازهایی از نیترید و کربونیترید آهن مانند ε (Fe₂–₃N) و γ′ (Fe₄N) با سختی بالا
 لایهٔ نفوذی (Diffusion Layer): منطقه‌ای که در آن اتم‌های نیتروژن و کربن به‌صورت نفوذی وارد زیرسطح فلز شده‌اند و موجب ایجاد تنش فشاری مفید می‌شوند

 مزایا 
 افزایش چشمگیر سختی سطحی تا محدوده ۱۲۰۰–۱۸۰۰ ویکرز
 افزایش عمر خستگی با ایجاد تنش‌های فشاری سطحی
 بهبود مقاومت به سایش در شرایط کاری سخت
 افزایش مقاومت به خوردگی در محیط‌های خورنده
 کاهش اعوجاج قطعه به‌دلیل دمای پایین
 عدم نیاز به عملیات حرارتی پس‌فرآیند
 بدون استفاده از نمک‌های سیانیدی یا مواد سمی

 چالش‌ها 
 هزینهٔ بالای تجهیزات خلأ و تولید پلاسما
 حساسیت زیاد فرآیند به پارامترهای عملیاتی مانند دما، زمان و ترکیب گاز
 احتمال تشکیل لایه سفید (White Layer) در صورت کنترل نادرست که ترد و شکننده است
 نیاز به آمادگی سطحی مناسب قبل از آغاز فرآیند

 کاربردها 
نیتروکاربوراسیون پلاسمایی در صنایع مختلفی کاربرد دارد، از جمله:
 صنعت خودروسازی: میل‌لنگ، چرخ‌دنده، سوپاپ، شفت
 صنایع نفت و گاز: تجهیزات حفاری، ولوها، پمپ‌ها
 صنعت هوافضا: اجزای سبک و مقاوم در برابر خستگی
 صنایع پزشکی: ابزارهای جراحی، ایمپلنت‌های فلزی
 قالب‌سازی: سنبه و ماتریس‌های دقیق با طول عمر بالا

 ارزیابی‌های علمی 
برای تحلیل ساختاری و عملکردی لایه‌های ایجادشده در این فرآیند، ابزارها و روش‌های زیر استفاده می‌شود:
 میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای مشاهدهٔ ضخامت و یکنواختی لایه
 پراش پرتو ایکس (XRD) برای شناسایی فازهای سطحی
 آزمون سختی برای بررسی سختی سطحی و پروفایل سختی عمقی
 آزمون سایش برای سنجش مقاومت سایشی در شرایط خشک و مرطوب
 آزمون خوردگی به‌ویژه در محیط‌های اسیدی یا نمکی شبیه‌سازی‌شده

 مقایسه با سایر روش‌ها 
 ویژگی نیتروکاربوراسیون پلاسمایی نیتروکاربوراسیون گازی نیتروکاربوراسیون نمکی دقت در کنترل لایه بالا متوسط پایینایمنی زیست‌محیطیبالامتوسطپاییناعوجاج قطعهبسیار کممتوسطزیادتجهیزات اولیهپیچیده و گرانمتوسطسادهاستفاده از مواد سمیخیرگاه بلهبله

 آلیاژهای مناسب 
این فرآیند در طیف وسیعی از آلیاژها به‌ویژه:
 فولادهای کربنی
 فولادهای آلیاژی (AISI 4140، H13 و غیره)
 فولاد زنگ‌نزن (در شرایط خاص مانند 17-4PH)
 چدن
و در مواردی حتی برای تیتانیوم و آلیاژهای نیکل نیز کاربرد دارد، مشروط به کنترل دقیق شرایط فرآیند.

 منابع 
 Gibson, I. & Rosen, D. (2015). Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing. ASM International. 
 Pye, D. (2006). Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies. CRC Press. 
 Struers Metallography Guide. https://www.struers.com/en/Knowledge/Materials/Nitrided-coatings) 
 Körper, A. et al. (2022). Effect of Plasma Nitrocarburizing on Titanium Surface. AIP Advances. 
 Basso, R. L. O. et al. (2009). Influence of Microstructure on Plasma Nitrocarburizing. Materials Science Journal.
رده:عملیات حرارتی