Nitridování - Nitriding

Moderní počítačová nitridační pec

Nitridace je proces tepelného zpracování, který difunduje dusík do povrchu kovu za účelem vytvoření cementovaného povrchu. Tyto procesy se nejčastěji používají u nízkolegovaných ocelí. Používají se také na titan , hliník a molybden .

Typické aplikace zahrnují ozubená kola , klikové hřídele , vačkové hřídele , vaček , ventilů díly, vytlačovací šrouby, pro lití pod tlakem nástroje, kovací zápustky, vytlačování zápustky zbraně a příslušenství, vstřikovače a plastem formy nástroje.

Procesy

Procesy jsou pojmenovány podle média použitého k darování. Tři hlavní použité metody jsou: nitridace plynem, nitridace v solné lázni a nitridace v plazmě .

Nitridace plynem

V plynu, nitridování dárce je dusík bohatého plynu, obvykle amoniak (NH 3 ), což je důvod, proč je někdy známé jako nitridování amoniaku . Když čpavek přijde do kontaktu s ohřátým obrobkem, disociuje se na dusík a vodík. Dusík poté difunduje na povrch materiálu a vytváří nitridovou vrstvu. Tento proces existuje téměř sto let, i když pouze v posledních několika desetiletích došlo ke soustředěnému úsilí zkoumat použitou termodynamiku a kinetiku. Nedávný vývoj vedl k procesu, který lze přesně řídit. Lze zvolit tloušťku a fázové složení výsledných nitridačních vrstev a proces optimalizovat pro konkrétní požadované vlastnosti.

Výhody nitridace plynem oproti jiným variantám jsou:

  • Přesné řízení chemického potenciálu dusíku v nitridační atmosféře řízením průtoku plynu dusíku a kyslíku.
  • Všestranný nitridační účinek (může být v některých případech nevýhodou ve srovnání s plazmatickou nitridací)
  • Jsou možné velké velikosti šarží - omezujícím faktorem je velikost pece a průtok plynu
  • Pomocí moderního počítačového řízení atmosféry lze nitridační výsledky pečlivě kontrolovat
  • Relativně nízké náklady na vybavení - zejména ve srovnání s plazmou

Nevýhody nitridace plynem jsou:

  • Kinetika reakce silně ovlivněná stavem povrchu - olejovitý povrch nebo povrch kontaminovaný řeznými kapalinami přinese špatné výsledky
  • K ošetření ocelí s vysokým obsahem chrómu je někdy nutná povrchová aktivace - porovnejte rozprašování během plazmové nitridace
  • Amoniak jako nitridační médium - i když není nijak zvlášť toxický, může být při vdechování ve velkém množství škodlivý. Při zahřívání za přítomnosti kyslíku je také třeba postupovat opatrně, aby se snížilo riziko výbuchu

Nitridace v solné lázni

V solné lázni je nitridací média poskytujícího dusík sůl obsahující dusík, jako je kyanidová sůl. Použité soli také dávají uhlík na povrch obrobku, čímž se solná lázeň stává nitrokarbonizačním procesem. Použitá teplota je typická pro všechny nitrokarbonizační procesy: 550 až 570 ° C. Výhodou nitridace solí je to, že dosahuje vyšší difúze ve stejném časovém období ve srovnání s jakoukoli jinou metodou.

Výhody nitridace solí jsou:

  • Rychlá doba zpracování - obvykle asi 4 hodiny
  • Jednoduchá obsluha - ohřejte sůl a obrobky na teplotu a ponořte je, dokud neuplyne doba trvání.

Nevýhody jsou:

  • Použité soli jsou vysoce toxické - likvidace solí je v západních zemích řízena přísnými zákony o životním prostředí a zvýšila náklady na používání solných lázní. To je jeden z nejvýznamnějších důvodů, proč proces v posledních desetiletích upadl v nemilost.
  • U konkrétního typu soli je možný pouze jeden proces - protože potenciál dusíku je nastaven solí, je možný pouze jeden typ procesu

Plazmová nitridace

Plazmová nitridace, také známý jako iontovou nitridací , iontovou nitridací plazmy nebo záře výboji nitridaci , je průmyslové povrchové kalení kovových materiálů.

U plazmové nitridace není reaktivita nitridačního média způsobena teplotou, ale ionizovaným stavem plynu. V této technice se používají intenzivní elektrická pole ke generování ionizovaných molekul plynu kolem povrchu, který má být nitridován. Takový vysoce aktivní plyn s ionizovanými molekulami se nazývá plazma . Plyn používaný pro plazmovou nitridaci je obvykle čistý dusík, protože není nutný žádný spontánní rozklad (jako je tomu v případě nitridace plynem s amoniakem). Existují horká plazma typizovaná plazmovými tryskami používanými pro řezání kovů, svařování , opláštění nebo stříkání. Existují také studená plazma, obvykle vytvářená uvnitř vakuových komor, při nízkotlakých režimech.

Oceli jsou obvykle výhodně ošetřeny plazmatickou nitridací. Tento proces umožňuje pečlivou kontrolu nitridované mikrostruktury, což umožňuje nitridaci s nebo bez tvorby složené vrstvy. Zvýší se nejen výkon kovových dílů, ale také se prodlouží životnost, a tím se zvýší mez přetvoření a únavová pevnost ošetřovaných kovů. Například lze výrazně zvýšit mechanické vlastnosti austenitické nerezové oceli, jako je odolnost proti opotřebení, a zdvojnásobit povrchovou tvrdost nástrojových ocelí.

Plazmaticky nitridovaná část je obvykle připravena k použití. Nevyžaduje žádné obrábění ani leštění ani žádné další operace po nitridaci. Proces je tedy uživatelsky přívětivý, šetří energii, protože pracuje nejrychleji, a způsobuje malé nebo žádné zkreslení.

Tento proces vynalezl Dr. Bernhardt Berghaus z Německa, který se později usadil v Curychu, aby unikl nacistickému pronásledování. Po jeho smrti na konci 60. let byl proces získán skupinou Klockner a popularizován globálně.

Plazmatická nitridace je často spojena s procesem fyzikální depozice z plynné fáze (PVD) a je označena jako Duplexní léčba, se zvýšenými výhodami. Mnoho uživatelů dává přednost tomu, aby byl v poslední fázi zpracování kombinován krok plazmové oxidace za vzniku hladké vrstvy oxidů, která je odolná proti opotřebení a korozi.

Jelikož jsou ionty dusíku dostupné ionizací, odlišně od plynové nebo solné lázně, účinnost plazmové nitridace nezávisí na teplotě. Plazmatickou nitridaci lze tedy provádět v širokém teplotním rozmezí od 260 ° C do více než 600 ° C. Například při mírných teplotách (např. 420 ° C) mohou být nerezové oceli nitridovány bez tvorby sraženin nitridu chrómu a tím si zachovávají své korozní vlastnosti.

V plazmovém nitridování, plyn dusík (N 2 ), je obvykle dusík nesoucí plyn. Používají se také jiné plyny, jako je vodík nebo argon. Ve skutečnosti, argon a H 2 může být použit před procesem nitridace při ohřevu dílů pro čištění povrchů, které mají být nitridované. Tento postup čištění účinně odstraňuje vrstvu oxidu z povrchů a může odstranit jemné vrstvy rozpouštědel, které by mohly zůstat. To také pomáhá tepelné stabilitě plazmového zařízení, protože teplo přidávané plazmou je již přítomno během zahřívání, a tedy jakmile je dosažena teplota procesu, začíná skutečná nitridace s malými změnami ohřevu. Pro způsob nitridace H 2 plynu je přidáno, aby se na povrchu čirý oxidů. Tento efekt lze pozorovat analýzou povrchu součásti pod nitridací (viz například).

Materiály pro nitridaci

Mezi příklady snadno nitridovatelných ocelí patří řady SAE 4100 , 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 a 9800, britské oceli jakosti BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), nerezové oceli, některé nástrojové oceli ( Například H13 a P20) a některé litiny. V ideálním případě by oceli pro nitridaci měly být ve vytvrzeném a popouštěném stavu, což vyžaduje, aby nitridace probíhala při nižší teplotě, než byla poslední teplota popouštění. Nejlepší je jemně soustružený nebo broušený povrch. Po nitridaci by mělo být odstraněno minimální množství materiálu, aby byla zachována tvrdost povrchu.

Nitridační slitiny jsou legované oceli s nitridotvornými prvky, jako je hliník, chrom , molybden a titan.

V roce 2015 byla nitridace použita ke generování jedinečné duplexní mikrostruktury ve slitině železo-mangan ( martenzit - austenit , austenit - ferit ), o níž je známo, že je spojena se silně vylepšenými mechanickými vlastnostmi.

Dějiny

Systematické zkoumání vlivu dusíku na povrchové vlastnosti oceli začalo ve 20. letech 20. století. Vyšetřování nitridace plynu začalo nezávisle jak v Německu, tak v Americe. Tento proces byl v Německu uvítán s nadšením a několik druhů oceli bylo vyvinuto s ohledem na nitridaci: takzvané nitridační oceli. Recepce v Americe byla méně působivá. S tak malou poptávkou byl tento proces v USA z velké části zapomenut. Po druhé světové válce byl proces znovu zaveden z Evropy. V posledních desetiletích proběhlo mnoho výzkumů, které měly pochopit termodynamiku a kinetiku reakcí.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy


  1. ^ Pye, David. "Knihovna tepelného zpracování" . pye-d.com . Archivovány od originálu dne 2017-01-11 . Citováno 2017-01-10 .