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.

## 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

## 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