Mitä Nitriding on?

Nitridoinnin perusteet

Nitraus on lämpökäsittelyprosessi, joka diffundoi typpeä metallin pintaan kotelokovettuneen pinnan luomiseksi. Lisätty typpi lisää kovuutta ja kulutuskestävyyttä vaikuttamatta merkittävästi ytimen metallurgisiin ominaisuuksiin. Nitrauksen aikana metalli kuumennetaan 500-550 °C:seen typpipitoisessa ilmakehässä. Typpi diffundoituu pintaan jopa 0.5 mm syvyyteen ja reagoi seosaineiden, kuten alumiinin, vanadiinin ja kromin kanssa muodostaen kovia nitridejä. Nämä nitridit lisäävät pinnan kovuutta 1300 HV:iin, mikä parantaa kulumis- ja korroosionkestävyyttä.

Nitrioinnin tarkoitukset

Nitrausta käytetään parantamaan metallien pintaominaisuuksia useisiin tärkeisiin tarkoituksiin:

Lisää pinnan kovuutta

Nitrauksen ensisijainen tarkoitus on lisätä metallien pintakovuutta. Lisätty typpi reagoi seosaineiden kanssa muodostaen kovia nitridiyhdisteitä. Tämä diffuusiokerros lisää kovuutta 1300 HV:iin, mikä parantaa kulutuskestävyyttä ja kantavuutta.

Paranna väsymysvoimaa

Nitraamalla luotu karkaistu kotelon syvyys parantaa komponenttien, kuten hammaspyörien ja akselien, väsymislujuutta. Nitridoidussa kotelossa muodostuneet puristusjännitykset lisäävät vastustuskykyä halkeamien alkamiselle ja etenemiselle.

Paranna korroosionkestävyyttä

Nitraus parantaa korroosionkestävyyttä kahdella tavalla. Ensinnäkin nitridiyhdisteet ovat erittäin stabiileja ja inerttejä. Toiseksi nitridauksella luotu kerrossyvyys varmistaa, että ydinmateriaali pysyy ennallaan, jos pintakerros kuluu pois.

Minimaalinen vääristymä

Toisin kuin karkaisukarkaisumenetelmissä, nitraus ei vaadi kappaleen nopeaa jäähdytystä. Tämän seurauksena nitraus aiheuttaa hyvin vähän vääristymiä tai jäännösjännitystä, mikä tekee siitä sopivan erittäin tarkkoihin komponentteihin. Nitraation aiheuttamat mittamuutokset ovat mitättömiä.

Typpityypit

Teollisuudessa käytetään useita päämenetelmiä ja muunnelmia typpiprosessista:

• Kaasun typpeily– Kaasun nitridauksessa typen lähde tulee ammoniakkikaasusta, joka on dissosioitunut typeksi ja vedyksi. Ammoniakkikaasu on halvempaa kuin puhdas typpikaasu. Komponentit kuumennetaan 500-590°C:een suljetussa retortissa kontrolloidulla ammoniakkivirtauksella.
• Plasman typpitys - Plasmanitridaus käyttää korkeajännitteisen virtalähteen tuottamaa plasmapurkausta aktivoitujen typpi-ionien luomiseksi. Tämä mahdollistaa nopeamman diffuusion alemmissa lämpötiloissa 350-590 °C. Plasmanitys mahdollistaa tarkan hallinnan kotelon syvyydestä.
• Suolakylpytyppitys - Suolakylpynitridauksessa typen lähde tulee syanidisuolojen, kuten NaCN:n, dissosiaatiosta. Osat upotetaan sulaan syanidisuolakylpyyn, jota pidetään 580-590 °C:ssa. Suolakylvyn nitrauksella voidaan saavuttaa erittäin korkea kotelon kovuus jopa 1500 HV.
• Leijupedin typpitys - Leijukerrosnitraus sisältää ammoniakkikaasun dissosioitumisen kaasuvirralla leijutetussa alumiinioksidijauhekerroksessa. Tämä menetelmä takaa erinomaisen lämpötilan tasaisuuden käsittelyn aikana.
• Muut variaatiot - Muita muunnelmia ovat nitrohiiletys, joka lisää hiiltä karbonitridien muodostamiseksi, jälkihapetus mustien oksidikerrosten muodostamiseksi ja alhaisen lämpötilan nitridointi välillä 350-380 °C. Hybridiprosesseja, kuten plasmanitrohiiletystä, käytetään myös.

Nitraukseen soveltuvat materiaalit

Typpiä voidaan soveltaa useisiin rauta- ja ei-rautametalliseoksiin:

Vähähiiliset teräkset

Vähäseosteiset teräkset, joiden hiilipitoisuus on alle 0.25 %, nitrataan yleensä pinnan kovuuden ja kulutuskestävyyden lisäämiseksi. Alhainen hiilipitoisuus vähentää epästabiilien rautanitridien muodostumista. Suosittuja esimerkkejä ovat 1018, 4140 ja 4340 teräkset.

Työkalun teräkset

Työkaluteräkset, mukaan lukien H13, P20 ja D2, ovat ihanteellisia nitraukseen korkean karkenevuuden ja seosainepitoisuutensa ansiosta. Nitraus lisää kovuutta, lujuutta ja käyttöikää kuuma- tai kylmätyösovelluksissa.

Ruostumattomat teräkset

Martensiittiset ja saostuskarkaiset ruostumattomat teräkset, kuten 410, 416, 420 ja 17-4PH, voidaan tehokkaasti nitrata kulumisen ja korroosionkestävyyden parantamiseksi. Pintakovuus 1000-1400 HV voidaan saavuttaa.

Alumiiniseokset

Tietyt piitä ja magnesiumia sisältävät alumiiniseokset voidaan nitridata nitrohiileksi kutsutulla prosessilla. Tämä diffundoi typpeä ja hiiltä samanaikaisesti seokseen.

Titaaniseokset

Titaaniseokset, mukaan lukien Ti-6Al-4V, voidaan nitrata plasmamenetelmillä. Tämä luo korkeakovuuden suojaavan pintakerroksen vaikuttamatta sydämen sitkeyteen ja murtumissitkeyteen.

Muut seokset

Muut materiaalit, kuten nikkelipohjaiset superseokset, työkaluteräkset ja kobolttiseokset, voidaan myös nitridata. Sekä rauta- että ei-rautametalliseokset, joissa on riittävästi seosaineita nitridien stabiloimiseksi, voivat olla hyödyllisiä.

Laitteet ja kulutustarvikkeet typpitöihin

Nitrausprosesseissa käytetään erikoisuuneja, kaasulähteitä ja lämpötilanvalvontalaitteita:

• Typpiuunit
  • Kotelo- tai kaappityyppiset uunit, joissa on kaasutiiviit retortit ja eristys kaasu- ja plasmanitraukseen 1000 °C:seen asti.
  • Sulat suolakylpyuunit suolakylvyn nitraamiseen noin 1100 °C:ssa.
  • Leijukerrosuunit, jotka sisältävät huokoisia keraamisia väliaineita leijukerrosnitraukseen.
• Typpikaasu
  • Erittäin puhdas typpikaasu kaasunitrauksen lähteenä.
  • Ammoniakkikaasu, joka hajoaa typeksi ja vedyksi kaasun nitridoimiseksi.
• Virtalähteet
  • DC-virtalähteet jopa 1000 V:iin ja teholtaan yli 10,000 XNUMX ampeeria plasmanitridaukseen.
• Lämpötilan valvonta
  • Termoparit valvomaan uunin lämpötilan tasaisuutta.
  • Pyrometrit komponenttien pintalämpötilan mittaamiseen.
• Tarvikkeet
  • Syanidisuolat suolakylvyn nitraukseen.
  • Alumiinioksidijauhe leijukerrosnitraukseen.
  • Sammuta öljy, puhdistusliuokset, työkalut, kalusteet jne.

Asianmukaiset laitteet ovat välttämättömiä nitrausilman, lämpötilan ja keston säätelemiseksi toistettavan kotelon syvyyden ja ominaisuuksien saavuttamiseksi.

Typpikäsittelyprosessi

Tyypillisen nitrausprosessin tärkeimmät vaiheet ovat:

1. Siivous
   1. Poista lika, öljy, rasva, oksidit ja muut epäpuhtaudet komponenttien pinnalta rasvanpoistolla, emäksisellä puhdistuksella tai happopeittauksella.
2. Ladataan
   1. Lataa komponentit varovasti kalusteisiin tai koreihin kontaminoitumisen välttämiseksi ja asianmukaisen altistumisen varmistamiseksi.
3. Lämmitys ja pito
   1. Kuumenna nopeudella 400-800 °F/h (220-440 °C/h) nitrauslämpötilan saavuttamiseksi.
   2. Pidä nitrauslämpötilassa, jotta työkappaleet saavuttavat lämpötasapainon.
4. typetys
   1. Altista työkappaleet typpeä sisältävälle ympäristölle nitrauslämpötilassa vaaditun ajan kotelon syvyyden saavuttamiseksi.
   2. Ammoniakkikaasu halkeaa typeksi ja vedyksi. Plasma tuottaa typpi-ioneja. Syanidisuolat vapauttavat typpeä.
5. sammutusta
   1. Nopea jäähdytys, kuten öljyssä nitridoidun rakenteen säilyttämiseksi. Ei vaadita joissakin prosesseissa.
6. Purkaminen ja puhdistus
   1. Pura työkappaleet ja poista kaikki jäämät sammutusöljystä tai suoloista pesemällä.
   2. Käytä jälkikäsittelyä, kuten hionta tai kiillotus.

Prosessin huolellinen ohjaus on tarpeen halutun kotelosyvyyden saavuttamiseksi, vääristymien minimoimiseksi ja nitridifaasin muodostumisen varmistamiseksi.

Nitrauksen teolliset sovellukset

Joitakin yleisiä mekaanisten komponenttien nitridoinnin teollisia käyttöjä ovat:

Gears

Nitratuilla seosteräksillä varustetuilla hammaspyörillä on korkeampi pintakovuus ja väsymislujuus. Käytetään vaihteistovaihteissa, nokkavaihteissa, rengasvaihteissa jne.

Laakerit

Laakerirenkaiden, vierintäelementtien ja laakeripintojen nitraus parantaa kulutuskestävyyttä ja kestävyyttä syklisessä kuormituksessa.

kampiakselit

Nitraus lisää kampiakselin siipien ja tappien väsymislujuutta. Käytetään autojen ja laivojen moottoreissa.

Männät

Nitratut valetut alumiinimännät lisäävät hankauskestävyyttä ja liiman kulutuskestävyyttä sylinterin seiniä vasten.

Venttiilit

Parannettu kuluminen polttomoottoreiden imu- ja pakoventtiileissä, joissa on nitratut venttiilipinnat ja -varret.

Leikkaustyökalut

Nitrauksella käsitellyillä päällystetyillä pikateräs- ja kovametallileikkaustyökaluilla on parempi metallin poistonopeus ja käyttöikä.

Muotit ja muotit

Nitratut työkaluteräsmuotit ja -suulakkeet valua, taontaa ja leimaamista varten osoittavat parempaa kestävyyttä ja suorituskykyä.

Muuhunkin

Yleinen paineastioissa, akseleissa, sylintereissä, nokissa, kiinnikkeissä, toimilaitteissa ja nestevoimakomponenteissa.

Pinnan kovuuden, kulutuskestävyyden, väsymislujuuden ja korroosionkestävyyden lisääntyminen tekee nitrauksesta ihanteellisen kriittisiin mekaanisiin osiin.

Nitraus koruissa ja tarvikkeissa

Vaikka typellä on vähemmän yleistä kuin teollisessa käytössä, sillä on joitain kapeita sovelluksia koruissa ja muodissa:

Parannettu pinnan viimeistely

Nitraus voi tarjota tasaisen tasaisen pinnan korujen metalliosille, kuten sormuksiin, rannekoruihin ja kellokoteloihin. Tämä vähentää toissijaisen kiillotuksen tarvetta.

Parannettu korroosionkestävyys

Nitridoitu kerros parantaa korroosionkestävyyttä kosteudelle alttiina oleville koruille, kuten sormuksille, rannekoruille, ketjuille ja metallisille kellohihnoille.

Koristeellinen musta pinnoite

Syövytettyjen pintojen valikoiva mustattaminen nitraamalla ruostumatonta terästä tai titaania voi tarjota koristekuvioita ja korostuksia koruihin.

Kovettuneet pinnat

Parannettu kulutuskestävyys paljon käytettyjä koruja, kuten miesten sormuksia ja metallisia kellovanteita pintakarkaisun ansiosta.

Kustannussäästö

Tietyissä metalleissa nitraus voi tarjota suorituskykyetuja pinnoitukseen tai PVD-pinnoitteisiin verrattuna halvemmalla.

Asiakkaan käsitys

Jotkut luksusmerkit käyttävät nitridiä tekniikan ja pinnan viimeistelyn havaittujen etujen vuoksi.

Vaikka nitraus ei ole yhtä yleistä kuin valmistusteollisuudessa, se voi tarjota toiminnallisia ja esteettisiä etuja valikoituihin korusovellutuksiin. Korumetallien ulkonäön säilyttämiseksi tarvitaan asianmukaista valvontaa.

Vertailu muihin pinnan kovettumisprosesseihin

Nitraus eroaa muista tavallisista pintakovetusprosesseista useilla tavoilla:

carburizing

Hiiletys diffundoi hiiltä eikä typpeä teräksen pintaan. Se luo kovemman mutta vähemmän vakaan martensiittisen kotelon. Nitraus parantaa korroosionkestävyyttä.

Nitrohiiletys

Nitrohiiletys lisää sekä typpeä että hiiltä samanaikaisesti. Yhdistetty karbonitridikotelo voi tarjota etuja jompaankumpaan yksinään verrattuna.

Induktiokarkaisu

Induktiokarkaisu lämmittää ja sammuttaa pinnan nopeasti sähkömagneettisen induktion avulla. Nitraus tarjoaa syvemmän kotelon syvyyden ja vähemmän vääristymiä.

Liekkikovettuminen

Liekkikarkaisulla happipolttoainepolttimet lämmittävät pinnan nopeasti ennen sammuttamista. Nitraus voi kovettaa monimutkaisia ​​geometrioita tehokkaammin.

Hard Film Deposition

Kovakalvopinnoitustekniikat, kuten PVD, CVD ja lämpösuihkutetut pinnoitteet, levittävät ohuen keraamisen pinnoitteen pinnalle. Nitraus diffundoi typpeä itse alustametalliin, mikä parantaa tarttuvuutta ja väsymiskestävyyttä. Pinnoitteilla voi kuitenkin olla lisäetuja, kuten eristys tai korkeiden lämpötilojen kestävyys.