Τι είναι το Nitriding;

Βάση Νίτρωσης

Η εναζώτωση είναι μια διαδικασία θερμικής επεξεργασίας που διαχέει άζωτο στην επιφάνεια ενός μετάλλου για να δημιουργήσει μια σκληρυμένη επιφάνεια. Το προστιθέμενο άζωτο αυξάνει τη σκληρότητα και την αντοχή στη φθορά χωρίς να επηρεάζει σημαντικά τις μεταλλουργικές ιδιότητες του πυρήνα. Κατά τη διάρκεια της εναζώτου, το μέταλλο θερμαίνεται στους 500-550°C σε ατμόσφαιρα πλούσια σε άζωτο. Το άζωτο διαχέεται στην επιφάνεια σε βάθος έως και 0.5 mm και αντιδρά με στοιχεία κράματος όπως αλουμίνιο, βανάδιο και χρώμιο για να σχηματίσει σκληρά νιτρίδια. Αυτά τα νιτρίδια αυξάνουν τη σκληρότητα της επιφάνειας έως και 1300 HV, βελτιώνοντας την αντοχή στη φθορά και τη διάβρωση.

Σκοποί Νίτρωσης

Η νιτρίωση χρησιμοποιείται για τη βελτίωση των επιφανειακών ιδιοτήτων των μετάλλων για διάφορους βασικούς σκοπούς:

Αυξήστε τη σκληρότητα της επιφάνειας

Ο πρωταρχικός σκοπός της νιτρίωσης είναι η αύξηση της επιφανειακής σκληρότητας των μετάλλων. Το προστιθέμενο άζωτο αντιδρά με στοιχεία κράματος για να σχηματίσει σκληρές ενώσεις νιτριδίου. Αυτό το στρώμα διάχυσης αυξάνει τη σκληρότητα έως και 1300 HV, γεγονός που βελτιώνει την αντοχή στη φθορά και την ικανότητα φόρτωσης.

Βελτιώστε την αντοχή στην κόπωση

Το βάθος της σκληρυμένης θήκης που δημιουργείται με τη νιτρίωση βελτιώνει την αντοχή σε κόπωση εξαρτημάτων όπως γρανάζια και άξονες. Οι θλιπτικές τάσεις που σχηματίζονται στη νιτρωμένη θήκη αυξάνουν την αντίσταση στην έναρξη και τη διάδοση της ρωγμής.

Βελτιώστε την αντίσταση στη διάβρωση

Η νιτρίωση βελτιώνει την αντοχή στη διάβρωση με δύο τρόπους. Πρώτον, οι ενώσεις νιτριδίου είναι πολύ σταθερές και αδρανείς. Δεύτερον, το βάθος της στρώσης που δημιουργείται με τη νιτρίωση διασφαλίζει ότι το υλικό του πυρήνα παραμένει ανεπηρέαστο εάν το επιφανειακό στρώμα έχει φθαρεί.

Ελάχιστη παραμόρφωση

Σε αντίθεση με τις μεθόδους σκλήρυνσης απόσβεσης, η νιτρίωση δεν απαιτεί ταχεία ψύξη του εξαρτήματος. Ως αποτέλεσμα, η νιτρίωση προκαλεί πολύ μικρή παραμόρφωση ή υπολειπόμενη τάση, καθιστώντας την κατάλληλη για εξαρτήματα υψηλής ακρίβειας. Οι αλλαγές διαστάσεων που προκαλούνται από τη νιτρίωση είναι αμελητέες.

Τύποι Νιτρώσεως

Υπάρχουν διάφορες κύριες μέθοδοι και παραλλαγές της διαδικασίας εναζώτου που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία:

• Εναζώτωση αερίου– Στη νιτροποίηση αερίου, η πηγή αζώτου προέρχεται από αέρια αμμωνία που διασπάται σε άζωτο και υδρογόνο. Το αέριο αμμωνίας είναι λιγότερο ακριβό από το καθαρό αέριο άζωτο. Τα εξαρτήματα θερμαίνονται στους 500-590°C σε σφραγισμένο θάλαμο με ελεγχόμενη ροή αμμωνίας.
• Νίτρωση πλάσματος- Η νιτροποίηση πλάσματος χρησιμοποιεί εκκένωση πλάσματος που παράγεται από τροφοδοτικό υψηλής τάσης για τη δημιουργία ενεργοποιημένων ιόντων αζώτου. Αυτό επιτρέπει ταχύτερη διάχυση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες 350-590°C. Η νιτρίωση πλάσματος προσφέρει ακριβή έλεγχο του βάθους της θήκης.
• Εναζώτωση λουτρού αλατιού- Στη νιτροποίηση σε λουτρό αλατιού, η πηγή αζώτου προέρχεται από τη διάσπαση αλάτων κυανίου όπως το NaCN. Τα μέρη βυθίζονται στο λουτρό τετηγμένου κυανιούχου άλατος που διατηρείται στους 580-590°C. Η νιτρίωση σε λουτρό αλατιού μπορεί να επιτύχει πολύ υψηλή σκληρότητα θήκης έως και 1500 HV.
• Ενάζωτο σε ρευστό κρεβάτι- Η νιτροποίηση ρευστοποιημένης κλίνης περιλαμβάνει τη διάσπαση αερίου αμμωνίας σε μια κλίνη σκόνης αλουμίνας που ρευστοποιείται από τη ροή αερίου. Αυτή η μέθοδος παρέχει εξαιρετική ομοιομορφία θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της θεραπείας.
• Άλλες παραλλαγές- Άλλες παραλλαγές περιλαμβάνουν τη νιτροανθρακοποίηση που προσθέτει άνθρακα για να σχηματίσει ανθρακικά νιτρίδια, την μετα-οξείδωση για να σχηματίσει στρώματα μαύρου οξειδίου και τη νιτροποίηση σε χαμηλή θερμοκρασία μεταξύ 350-380°C. Χρησιμοποιούνται επίσης υβριδικές διεργασίες όπως η νιτροανθρακοποίηση πλάσματος.

Υλικά Κατάλληλα για Νίτρωση

Η νιτρίωση μπορεί να εφαρμοστεί σε μια σειρά από σιδηρούχα και μη σιδηρούχα κράματα:

Χάλυβες χαμηλού άνθρακα

Χάλυβες χαμηλού κράματος με άνθρακα λιγότερο από 0.25% συνήθως νιτρώνονται για να αυξηθεί η σκληρότητα της επιφάνειας και η αντοχή στη φθορά. Η χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα μειώνει τον σχηματισμό ασταθών νιτριδίων σιδήρου. Τα δημοφιλή παραδείγματα περιλαμβάνουν χάλυβες 1018, 4140 και 4340.

Χάλυβες εργαλείων

Οι χάλυβες εργαλείων συμπεριλαμβανομένων των H13, P20 και D2 είναι ιδανικοί για νιτρίωση λόγω της υψηλής σκληρυνσιμότητας και της περιεκτικότητάς τους σε κράμα. Η νιτρίωση αυξάνει τη σκληρότητα, τη δύναμη και τη διάρκεια ζωής στα εργαλεία για εφαρμογές ζεστής ή κρύας εργασίας.

Ανοξείδωτοι χάλυβες

Οι μαρτενσιτικοί και οι ανοξείδωτοι χάλυβες που σκληρύνουν την καθίζηση όπως 410, 416, 420 και 17-4PH μπορούν να νιτρωθούν αποτελεσματικά για τη βελτίωση της αντοχής στη φθορά και τη διάβρωση. Επιφανειακή σκληρότητα 1000-1400 HV μπορεί να επιτευχθεί.

Κράματα αλουμινίου

Ορισμένα κράματα αλουμινίου που περιέχουν πυρίτιο και μαγνήσιο μπορούν να νιτρωθούν μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται νιτροανθρακοποίηση. Αυτό διαχέει άζωτο και άνθρακα ταυτόχρονα στο κράμα.

Κράματα τιτανίου

Τα κράματα τιτανίου συμπεριλαμβανομένου του Ti-6Al-4V μπορούν να νιτρωθούν μέσω μεθόδων πλάσματος. Αυτό δημιουργεί ένα προστατευτικό επιφανειακό στρώμα υψηλής σκληρότητας χωρίς να επηρεάζει την ολκιμότητα του πυρήνα και την αντοχή στη θραύση.

Άλλα κράματα

Άλλα υλικά όπως υπερκράματα με βάση το νικέλιο, χάλυβες εργαλείων και κράματα κοβαλτίου μπορούν επίσης να νιτρωθούν. Τόσο τα σιδηρούχα όσο και τα μη σιδηρούχα κράματα με επαρκείς προσθήκες κραμάτων για τη σταθεροποίηση των νιτριδίων μπορούν να ωφεληθούν.

Εξοπλισμός και αναλώσιμα για εναζώτωση

Οι διεργασίες νιτρίωσης χρησιμοποιούν εξειδικευμένους κλιβάνους, προμήθειες αερίου και εξοπλισμό παρακολούθησης θερμοκρασίας:

• Φούρνοι Εναζώτου
  • Φούρνοι τύπου κουτιού ή ντουλαπιού με αεριοστεγείς αποστακτήρες και μόνωση για νίτρωση αερίου και πλάσματος έως 1000°F (590°C).
  • Κλίβανοι λουτρού τετηγμένου αλατιού για νιτροποίηση λουτρού αλατιού περίπου στους 1100°F (590°C).
  • Κλίβανοι ρευστοποιημένης κλίνης που περιέχουν πορώδη κεραμικά μέσα για νιτροποίηση ρευστοποιημένης κλίνης.
• Αέριο άζωτο
  • Αέριο άζωτο υψηλής καθαρότητας ως πηγή εναζώτου αερίου.
  • Αέρια αμμωνία που διασπάται σε άζωτο και υδρογόνο για νιτρίωση αερίου.
• Τροφοδοτικά
  • Τροφοδοτικά συνεχούς ρεύματος έως 1000 V και ονομαστική ένταση ρεύματος άνω των 10,000 αμπέρ για εναζώτωση πλάσματος.
• Παρακολούθηση θερμοκρασίας
  • Θερμοστοιχεία για την παρακολούθηση της ομοιομορφίας της θερμοκρασίας του κλιβάνου.
  • Πυρόμετρα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας επιφάνειας των εξαρτημάτων.
• Αναλώσιμα
  • Κυανιούχα άλατα για νιτρίωση σε λουτρό αλατιού.
  • Σκόνη αλουμίνας για νιτροποίηση ρευστοποιημένης κλίνης.
  • Λάδι σβέσης, διαλύματα καθαρισμού, εργαλεία, εξαρτήματα κ.λπ.

Ο κατάλληλος εξοπλισμός είναι απαραίτητος για τον έλεγχο της ατμόσφαιρας εναζώτου, της θερμοκρασίας και της διάρκειας για την επίτευξη επαναλαμβανόμενου βάθους και ιδιοτήτων θήκης.

Διαδικασία Νίτρωσης

Τα βασικά βήματα σε μια τυπική διαδικασία εναζώτου είναι:

1. Καθάρισμα
   1. Αφαιρέστε τη βρωμιά, το λάδι, το λίπος, τα οξείδια και άλλους ρύπους από την επιφάνεια του εξαρτήματος με απολίπανση, αλκαλικό καθαρισμό ή όξινη αποξήρανση.
2. Φόρτωση
   1. Τοποθετήστε τα εξαρτήματα προσεκτικά σε εξαρτήματα ή καλάθια για να αποφύγετε τη μόλυνση και να εξασφαλίσετε τη σωστή έκθεση.
3. Θέρμανση και Συγκράτηση
   1. Θερμάνετε με ρυθμό 400-800°F/ώρα (220-440°C/ώρα) για να φθάσετε στη θερμοκρασία εναζώτου.
   2. Κρατήστε σε θερμοκρασία εναζώτου για να επιτρέψετε στα τεμάχια εργασίας να φτάσουν σε θερμική ισορροπία.
4. Αζώτου
   1. Εκθέστε τα τεμάχια εργασίας σε περιβάλλον πλούσιο σε άζωτο σε θερμοκρασία εναζώτου για τον απαιτούμενο χρόνο για να επιτευχθεί το βάθος της θήκης.
   2. Η αέρια αμμωνία διασπάται σε άζωτο και υδρογόνο. Το πλάσμα παράγει ιόντα αζώτου. Τα κυανιούχα άλατα απελευθερώνουν άζωτο.
5. Σβήσιμο
   1. Ταχεία ψύξη όπως σε λάδι για διατήρηση της νιτρωμένης δομής. Δεν απαιτείται για ορισμένες διαδικασίες.
6. Εκφόρτωση και Καθαρισμός
   1. Ξεφορτώστε τα τεμάχια εργασίας και αφαιρέστε τυχόν υπολείμματα από λάδι σβέσης ή άλατα με πλύσιμο.
   2. Εφαρμόστε τη μετα-επεξεργασία όπως λείανση ή στίλβωση.

Απαιτείται προσεκτικός έλεγχος της διαδικασίας για να επιτευχθεί το επιθυμητό βάθος θήκης, να ελαχιστοποιηθεί η παραμόρφωση και να διασφαλιστεί ο σχηματισμός φάσης νιτριδίου.

Βιομηχανικές Εφαρμογές Νιτρώσεως

Μερικές κοινές βιομηχανικές χρήσεις της νιτρίωσης σε μηχανικά εξαρτήματα περιλαμβάνουν:

Γρανάζια

Τα γρανάζια από νιτρωμένο κράμα χάλυβα έχουν υψηλότερη επιφανειακή σκληρότητα και αντοχή σε κόπωση. Χρησιμοποιείται σε γρανάζια κιβωτίου ταχυτήτων, γρανάζια έκκεντρου, δακτυλιοειδείς γρανάζια κ.λπ.

Ρουλεμάν

Η νιτρίωση των ράβδων ρουλεμάν, των στοιχείων κύλισης και των επιφανειών ρουλεμάν βελτιώνει την αντοχή στη φθορά και την ανθεκτικότητα υπό κυκλική φόρτιση.

Στροφαλοφόροι άξονες

Η νιτρίωση αυξάνει την αντοχή σε κόπωση των φιλέτα και των γεμιστήρα στροφαλοφόρου. Χρησιμοποιείται σε κινητήρες αυτοκινήτων και ναυτιλίας.

Έμβολα

Τα έμβολα από χυτό αλουμίνιο με νιτρίδιο αυξάνουν την αντοχή στο γδάρσιμο και την αντοχή στη φθορά της κόλλας στα τοιχώματα του κυλίνδρου.

βαλβίδες

Βελτιωμένη φθορά στις βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής κινητήρων εσωτερικής καύσης με επιφάνειες και στελέχη βαλβίδων νιτρωμένης.

Εργαλεία κοπής

Τα επικαλυμμένα εργαλεία κοπής από χάλυβα υψηλής ταχύτητας και καρβίδιο που έχουν υποστεί επεξεργασία με νιτρίωση έχουν καλύτερους ρυθμούς αφαίρεσης μετάλλων και καλύτερη διάρκεια ζωής.

Μήτρες και καλούπια

Τα καλούπια και οι μήτρες από νιτρωμένο χάλυβα εργαλείων για χύτευση, σφυρηλάτηση και σφράγιση παρουσιάζουν βελτιωμένη αντοχή και απόδοση.

Άλλες χρήσεις

Συνηθίζεται σε δοχεία πίεσης, άξονες, κυλίνδρους, έκκεντρα, συνδετήρες, ενεργοποιητές και εξαρτήματα υγρής ισχύος.

Η αύξηση της σκληρότητας της επιφάνειας, της αντοχής στη φθορά, της αντοχής σε κόπωση και της αντοχής στη διάβρωση καθιστούν τη νιτροποίηση ιδανική για κρίσιμα μηχανικά μέρη.

Νίτρωση σε κοσμήματα και αξεσουάρ

Αν και λιγότερο συνηθισμένη από τις βιομηχανικές χρήσεις, η νιτροποίηση έχει κάποιες εξειδικευμένες εφαρμογές σε κοσμήματα και αξεσουάρ μόδας:

Βελτιωμένο φινίρισμα επιφάνειας

Η νιτροποίηση μπορεί να προσφέρει ένα ομαλό ομοιόμορφο φινίρισμα επιφάνειας σε μεταλλικά εξαρτήματα κοσμημάτων όπως δαχτυλίδια, βραχιόλια και θήκες ρολογιών. Αυτό μειώνει την ανάγκη για δευτερεύον γυάλισμα.

Ενισχυμένη αντοχή στη διάβρωση

Το νιτρωμένο στρώμα βελτιώνει την αντοχή στη διάβρωση για κοσμήματα που εκτίθενται στην υγρασία, όπως δαχτυλίδια, βραχιόλια, αλυσίδες και μεταλλικά λουριά ρολογιών.

Διακοσμητικά Μαύρα Επιχρίσματα

Το επιλεκτικό μαύρισμα των χαραγμένων επιφανειών με νιτρώσεις από ανοξείδωτο χάλυβα ή τιτάνιο μπορεί να προσφέρει διακοσμητικά σχέδια και τόνους στα κοσμήματα.

Σκληρυμένες Επιφάνειες

Βελτιωμένη αντοχή στη φθορά για κοσμήματα υψηλής χρήσης, όπως ανδρικά δαχτυλίδια και μεταλλικές ταινίες ρολογιών μέσω επιφανειακής σκλήρυνσης.

Εξοικονόμηση κόστους

Σε ορισμένα μέταλλα, η νιτρίωση μπορεί να προσφέρει πλεονεκτήματα απόδοσης σε σχέση με την επιμετάλλωση ή τις επικαλύψεις PVD για χαμηλότερο κόστος.

Αντίληψη Πελατών

Ορισμένες μάρκες πολυτελείας χρησιμοποιούν νιτρίωση για τα αντιληπτά οφέλη της τεχνολογίας και του φινιρίσματος της επιφάνειας.

Αν και δεν είναι τόσο διαδεδομένη όσο στις μεταποιητικές βιομηχανίες, η νιτροποίηση μπορεί να προσφέρει λειτουργικά και αισθητικά πλεονεκτήματα για επιλεγμένες εφαρμογές κοσμημάτων. Απαιτείται σωστός έλεγχος για να διατηρηθεί η εμφάνιση των μετάλλων των κοσμημάτων.

Σύγκριση με άλλες διεργασίες επιφανειακής σκλήρυνσης

Η νιτρίωση διαφέρει από άλλες κοινές διαδικασίες σκλήρυνσης επιφανειών με διάφορους τρόπους:

Εξαερώσεις

Η ενανθράκωση διαχέει άνθρακα αντί άζωτο στην επιφάνεια του χάλυβα. Δημιουργεί μια σκληρότερη αλλά λιγότερο σταθερή μαρτενσιτική θήκη. Η νιτρίωση παρέχει καλύτερη αντοχή στη διάβρωση.

Νιτροανθρακοποίηση

Η νιτροανθρακοποίηση προσθέτει άζωτο και άνθρακα ταυτόχρονα. Η συνδυασμένη θήκη καρβονιτριδίου μπορεί να προσφέρει πλεονεκτήματα σε σχέση με το καθένα μόνο του.

Επαγωγική σκλήρυνση

Η επαγωγική σκλήρυνση θερμαίνει και σβήνει γρήγορα την επιφάνεια μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Η νιτρίωση παρέχει μεγαλύτερο βάθος θήκης και λιγότερη παραμόρφωση.

Σκλήρυνση με φλόγα

Με τη σκλήρυνση με φλόγα, οι πυρσοί οξυγόνου θερμαίνουν γρήγορα την επιφάνεια πριν σβήσουν. Η εναζώτωση μπορεί να σκληρύνει πολύπλοκες γεωμετρίες πιο αποτελεσματικά.

Εναπόθεση σκληρού φιλμ

Τεχνικές εναπόθεσης σκληρού φιλμ όπως PVD, CVD και θερμικά ψεκαζόμενες επιστρώσεις αποθέτουν μια λεπτή κεραμική επίστρωση στην επιφάνεια. Η νιτρίωση διαχέει άζωτο στο ίδιο το μέταλλο του υποστρώματος για καλύτερη πρόσφυση και αντοχή στην κόπωση. Ωστόσο, οι επικαλύψεις μπορούν να προσφέρουν πρόσθετα πλεονεκτήματα όπως μόνωση ή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες.