نیتراسیون پلاسمایی یا نیتراسیون یونی یک فرآیند سطحی ترموشیمیایی تحت خلأ است که از پلاسما به‌عنوان محیط فعال جهت نفوذ کنترل‌شده نیتروژن به سطح فلزات استفاده می‌کند. در این روش، قطعه به‌عنوان کاتد در یک راکتور خلأ قرار گرفته و با اعمال ولتاژ بالا، تخلیه الکتریکی در گاز نیتروژن یا مخلوط گازهای نیتروژن/هیدروژن صورت می‌گیرد. پلاسما حاصل از این تخلیه، یون‌های نیتروژن را با انرژی بالا به سطح قطعه شتاب می‌دهد که باعث نفوذ اتم‌های نیتروژن به ساختار زیرسطحی فلز می‌شود. این فرآیند در دمای 500-450 سانتی‌گراد انجام شده و باعث افزایش سختی، مقاومت سایشی و بهبود عملکرد خستگی سطح می‌گردد بدون آنکه خواص حجمی قطعه دستخوش تغییرات شدید شود.
- کاربردها
- فولادهای آلیاژی و ابزار: سخت‌کاری قطعات دنده، شفت، غلتک‌ها و اجزای پرس.
- صنایع خودروسازی: افزایش عمر میل‌لنگ‌ها، میل‌بادامک‌ها، دنده‌ها.
- ابزارهای سرد و گرم‌کار: بهبود مقاومت سایشی ابزارهای پانچ و قالب‌های فورج.
- هوافضا و تجهیزات نظامی: ارتقاء خواص خستگی در قطعات حساس تحت بارگذاری سیکلی.
- تجهیزات پزشکی: سخت‌کاری سطحی استنلس استیل‌ها بدون ایجاد تغییر در ظاهر یا زیست‌سازگاری.
- مزایا
- افزایش سختی سطحی تا HV 1200
- عدم تغییر ابعاد و حفظ خواص مکانیکی هسته (Core Integrity).
- کاهش ضریب اصطکاک و بهبود عملکرد قطعات متحرک.
- فرآیند سبزتر نسبت به نیتراسیون گازی (عدم تولید گازهای مضر جانبی).
- مناسب برای قطعات پیچیده با هندسه‌های خاص.
- ضخامت لایه قابل کنترل (۵۰ تا ۵۰۰) میکرون
- افزایش عمر قطعه تا ۳-۵ برابر
- معایب
- سرمایه‌گذاری اولیه بالا به‌دلیل نیاز به سیستم خلأ و منبع تغذیه پلاسما.
- زمان فرآیند نسبتاً طولانی
- حساسیت به کیفیت سطح ورودی (نیاز به صیقل‌کاری و تمیزکاری پیش از فرآیند).
- چالش‌ها
- کنترل ریزساختار و درصد فازهای نیتریدی برای جلوگیری از تردی سطح.
- پایش دقیق دما و فشار جهت جلوگیری از ناپایداری قوس یا تخریب سطح.
- جلوگیری از تشکیل لایه ترکیبی ضخیم (Compound Layer) که ممکن است منجر به لایه‌برداری شود.
- افت راندمان در صورت آلودگی سطح یا نشت خلأ.
- ویژگی‌های نهایی سطح
- سختی سطحی بالا همراه با چسبندگی مطلوب.
- مقاومت بالا در برابر سایش، خوردگی سطحی و خستگی.
- یکنواختی در ضخامت و کیفیت لایه نیتریدی.
- حفظ پایداری ابعادی و ساختاری قطعات حساس.
- بهبود عمر کاری و قابلیت اطمینان در کاربردهای تحت تنش شدید.