Co je nitridace?

Základy nitridace

Nitridace je proces tepelného zpracování, který difunduje dusík do povrchu kovu a vytváří cementovaný povrch. Přidaný dusík zvyšuje tvrdost a odolnost proti opotřebení, aniž by výrazně ovlivnil metalurgické vlastnosti jádra. Během nitridace se kov zahřeje na 500-550 °C v atmosféře bohaté na dusík. Dusík difunduje do povrchu až do hloubky 0.5 mm a reaguje s legujícími prvky jako hliník, vanad a chrom za vzniku tvrdých nitridů. Tyto nitridy zvyšují tvrdost povrchu až na 1300 HV, čímž zlepšují odolnost proti opotřebení a korozi.

Účely nitridace

Nitridace se používá ke zlepšení povrchových vlastností kovů pro několik klíčových účelů:

Zvyšte tvrdost povrchu

Primárním účelem nitridace je zvýšení povrchové tvrdosti kovů. Přidaný dusík reaguje s legujícími prvky za vzniku tvrdých nitridových sloučenin. Tato difúzní vrstva zvyšuje tvrdost až na 1300 HV, což zlepšuje odolnost proti opotřebení a nosnost.

Zlepšete únavovou sílu

Tvrzená hloubka pouzdra vytvořená nitridováním zlepšuje únavovou pevnost součástí, jako jsou ozubená kola a hřídele. Tlaková napětí vznikající v nitridovaném pouzdře zvyšují odolnost proti iniciaci a šíření trhliny.

Zvyšte odolnost proti korozi

Nitridace zlepšuje odolnost proti korozi dvěma způsoby. Za prvé, nitridové sloučeniny jsou velmi stabilní a inertní. Za druhé, hloubka vrstvy vytvořená nitridací zajišťuje, že materiál jádra zůstane nedotčen, pokud se povrchová vrstva opotřebuje.

Minimální zkreslení

Na rozdíl od metod kalení kalením nevyžaduje nitridace rychlé ochlazení součásti. Výsledkem je, že nitridace způsobuje velmi malé zkreslení nebo zbytkové napětí, takže je vhodná pro vysoce přesné součásti. Rozměrové změny způsobené nitridací jsou zanedbatelné.

Typy nitridace

Existuje několik hlavních metod a variant nitridačního procesu používaných v průmyslu:

• Nitridace plynu– Při nitridaci plynu pochází zdroj dusíku z plynného amoniaku disociovaného na dusík a vodík. Plynný čpavek je levnější než čistý dusík. Komponenty se zahřívají na 500-590 °C v uzavřené retortě s řízeným průtokem čpavku.
• Plazmová nitridace - Plazmová nitridace využívá plazmový výboj generovaný vysokonapěťovým zdrojem k vytvoření aktivovaných iontů dusíku. To umožňuje rychlejší difúzi při nižších teplotách 350-590°C. Plazmová nitridace nabízí přesnou kontrolu nad hloubkou pouzdra.
• Nitridace v solné lázni - Při nitridaci v solné lázni pochází zdroj dusíku z disociace kyanidových solí, jako je NaCN. Části jsou ponořeny v lázni roztaveného kyanidu udržované na 580-590 °C. Nitridací v solné lázni lze dosáhnout velmi vysoké tvrdosti až 1500 HV.
• Nitridace ve fluidním loži - Nitridace ve fluidním loži zahrnuje disociaci plynného amoniaku v loži práškového oxidu hlinitého fluidizovaného proudem plynu. Tato metoda poskytuje vynikající rovnoměrnost teploty během ošetření.
• Další variace - Další varianty zahrnují nitrokarburizaci, která přidává uhlík za vzniku karbonitridů, dodatečnou oxidaci za vzniku vrstev černého oxidu a nitridaci při nízké teplotě mezi 350-380 °C. Používají se také hybridní procesy, jako je plazmová nitrokarburizace.

Materiály vhodné pro nitridaci

Nitridaci lze aplikovat na řadu železných a neželezných slitin:

Nízkouhlíkové oceli

Nízkolegované oceli s uhlíkem méně než 0.25 % se běžně nitridují, aby se zvýšila tvrdost povrchu a odolnost proti opotřebení. Nízký obsah uhlíku snižuje tvorbu nestabilních nitridů železa. Mezi oblíbené příklady patří oceli 1018, 4140 a 4340.

Nástrojové oceli

Nástrojové oceli včetně H13, P20 a D2 jsou ideální pro nitridaci díky své vysoké prokalitelnosti a obsahu slitin. Nitridace zvyšuje tvrdost, pevnost a životnost nástrojů pro aplikace za tepla nebo za studena.

Nerezové oceli

Martenzitické a precipitačně kalené nerezové oceli jako 410, 416, 420 a 17-4PH mohou být účinně nitridovány pro zlepšení odolnosti proti opotřebení a korozi. Lze dosáhnout tvrdosti povrchu 1000-1400 HV.

Slitiny hliníku

Některé slitiny hliníku obsahující křemík a hořčík lze nitridovat procesem zvaným nitrokarburizace. Tím se do slitiny současně difunduje dusík a uhlík.

Slitiny titanu

Slitiny titanu včetně Ti-6Al-4V lze nitridovat plazmovými metodami. To vytváří ochrannou povrchovou vrstvu s vysokou tvrdostí bez ovlivnění tažnosti jádra a lomové houževnatosti.

Ostatní slitiny

Nitridovat lze také jiné materiály, jako jsou superslitiny na bázi niklu, nástrojové oceli a slitiny kobaltu. Prospěšné mohou být jak železné, tak neželezné slitiny s dostatečnými legovacími přísadami pro stabilizaci nitridů.

Zařízení a spotřební materiál pro nitridaci

Procesy nitridace využívají specializované pece, dodávky plynu a zařízení pro monitorování teploty:

• Nitridační pece
  • Skříňové nebo skříňové pece s plynotěsnými retortami a izolací pro plynovou a plazmovou nitridaci až do 1000 °F (590 °C).
  • Pece s roztavenou solnou lázní pro nitridaci v solné lázni kolem 1100 °F (590 °C).
  • Pece s fluidním ložem obsahující porézní keramické médium pro nitridaci fluidního lože.
• Plynný dusík
  • Plynný dusík vysoké čistoty jako zdroj pro nitridaci plynu.
  • Plynný amoniak, který se pro nitridaci plynu disociuje na dusík a vodík.
• Napájecí zdroje
  • Stejnosměrné napájení až do 1000 V a jmenovitý proud přes 10,000 XNUMX ampér pro plazmovou nitridaci.
• Monitoring teploty
  • Termočlánky pro sledování rovnoměrnosti teploty pece.
  • Pyrometry pro měření povrchové teploty součástí.
• Spotřební materiál
  • Kyanidové soli pro nitridaci solné lázně.
  • Prášek oxidu hlinitého pro nitridaci ve fluidním loži.
  • Uhasit olej, čisticí roztoky, nástroje, přípravky atd.

Správné vybavení je nezbytné pro řízení nitridační atmosféry, teploty a trvání pro dosažení opakovatelné hloubky pouzdra a vlastností.

Proces nitridace

Klíčové kroky v typickém procesu nitridace jsou:

1. Čištění
   1. Odstraňte nečistoty, olej, mastnotu, oxidy a další nečistoty z povrchu součásti odmaštěním, alkalickým čištěním nebo mořením kyselinou.
2. Načítání
   1. Součásti vkládejte opatrně do přípravků nebo košů, abyste zabránili kontaminaci a zajistili správnou expozici.
3. Vytápění a držení
   1. Zahřívejte rychlostí 400-800 °F/h (220-440 °C/h), aby se dosáhlo nitridační teploty.
   2. Udržujte při nitridační teplotě, aby obrobky dosáhly tepelné rovnováhy.
4. Nitridování
   1. Vystavte obrobky prostředí bohatému na dusík při nitridační teplotě na požadovanou dobu, abyste dosáhli hloubky pouzdra.
   2. Plynný amoniak se rozkládá na dusík a vodík. Plazma vytváří ionty dusíku. Kyanidové soli uvolňují dusík.
5. Kalení
   1. Rychlé chlazení jako v oleji pro zachování nitridované struktury. Pro některé procesy není vyžadováno.
6. Vykládání a čištění
   1. Vyjměte obrobky a omytím odstraňte veškeré zbytky oleje nebo solí.
   2. Aplikujte následnou úpravu, jako je broušení nebo leštění.

K dosažení požadované hloubky pouzdra, minimalizaci zkreslení a zajištění tvorby nitridové fáze je zapotřebí pečlivé řízení procesu.

Průmyslové aplikace nitridace

Některá běžná průmyslová použití nitridace v mechanických součástech zahrnují:

Gears

Ozubená kola z nitridované legované oceli mají vyšší povrchovou tvrdost a únavovou pevnost. Používá se v převodových soukolích, vačkových převodech, věncových převodech atd.

Ložisko

Nitridace kroužků ložisek, valivých těles a povrchů ložisek zlepšuje odolnost proti opotřebení a životnost při cyklickém namáhání.

Klikové hřídele

Nitridace zvyšuje únavovou pevnost zaoblení klikového hřídele a čepů. Používá se v automobilových a lodních motorech.

Písty

Písty z nitridovaného hliníku zvyšují odolnost proti oděru a odolnost proti adhezivnímu opotřebení na stěnách válce.

Ventily

Zlepšené opotřebení sacích a výfukových ventilů spalovacích motorů s nitridovanými čely a vřeteny ventilů.

Obráběcí nástroje

Potažené řezné nástroje z rychlořezné oceli a tvrdokovu ošetřené nitridací mají lepší rychlost úběru kovu a životnost.

Formy a formy

Formy a zápustky z nitridované nástrojové oceli pro odlévání, kování a lisování vykazují zvýšenou odolnost a výkon.

Jiné použití

Běžné v tlakových nádobách, hřídelích, válcích, vačkách, upevňovacích prvcích, pohonech a komponentách kapalinové energie.

Zvýšení tvrdosti povrchu, odolnosti proti opotřebení, únavové pevnosti a odolnosti proti korozi činí nitridaci ideální pro kritické mechanické díly.

Nitridace ve špercích a doplňcích

I když je nitridace méně běžná než průmyslové použití, má některé specializované aplikace ve špercích a módních doplňcích:

Vylepšená povrchová úprava

Nitridace může poskytnout hladkou jednotnou povrchovou úpravu na šperkových kovových součástech, jako jsou prsteny, náramky a pouzdra hodinek. To snižuje potřebu sekundárního leštění.

Zvýšená odolnost proti korozi

Nitridovaná vrstva zlepšuje odolnost vůči korozi šperků vystavených vlhkosti, jako jsou prsteny, náramky, řetízky a kovové řemínky hodinek.

Dekorativní černé nátěry

Selektivní černění leptaných povrchů nitridací nerezové oceli nebo titanu může poskytnout ozdobné vzory a akcenty na špercích.

Tvrzené povrchy

Vylepšená odolnost proti opotřebení u vysoce používaných šperků, jako jsou pánské prsteny a kovové řemínky k hodinkám, díky povrchovému kalení.

Úspora nákladů

V některých kovech může nitridace poskytovat výkonnostní výhody oproti pokovování nebo PVD povlakům za nižší cenu.

Vnímání zákazníka

Některé luxusní značky používají nitridaci pro vnímané výhody technologie a povrchové úpravy.

I když není nitridace tak rozšířená jako ve zpracovatelském průmyslu, může poskytnout funkční a estetické výhody pro vybrané klenotnické aplikace. Pro zachování vzhledu bižuterních kovů je nutná řádná kontrola.

Srovnání s jinými procesy povrchového kalení

Nitridace se liší od ostatních běžných procesů povrchového kalení několika způsoby:

Nauhličování

Nauhličováním se do povrchu oceli rozptyluje uhlík spíše než dusík. Vytváří tvrdší, ale méně stabilní martenzitický případ. Nitridace poskytuje lepší odolnost proti korozi.

Nitrokarburizace

Nitrokarburizace přidává současně dusík i uhlík. Kombinované karbonitridové pouzdro může nabídnout výhody oproti oběma samostatně.

Indukční kalení

Indukční kalení rychle zahřívá a kalí povrch prostřednictvím elektromagnetické indukce. Nitridace poskytuje hlubší hloubku pouzdra a menší zkreslení.

Kalení plamenem

Při kalení plamenem kyslíko-palivové hořáky rychle zahřejí povrch před zhášením. Nitridace může zpevnit složité geometrie efektivněji.

Depozice tvrdého filmu

Techniky nanášení tvrdého filmu, jako je PVD, CVD a tepelně stříkané povlaky, nanášejí na povrch tenký keramický povlak. Nitridace difunduje dusík do samotného kovu substrátu pro lepší přilnavost a odolnost proti únavě. Nátěry však mohou poskytnout další výhody, jako je izolace nebo odolnost proti vysokým teplotám.