Što je nitriranje?

Osnova nitriranja

Nitriranje je postupak toplinske obrade kojim se dušik difundira u površinu metala kako bi se stvorila površina otvrdnuta. Dodani dušik povećava tvrdoću i otpornost na trošenje bez značajnog utjecaja na metalurška svojstva jezgre. Tijekom nitriranja metal se zagrijava na 500-550°C u atmosferi bogatoj dušikom. Dušik difundira u površinu do dubine od 0.5 mm i reagira s legirajućim elementima kao što su aluminij, vanadij i krom i stvara tvrde nitride. Ovi nitridi povećavaju tvrdoću površine do 1300 HV, poboljšavajući otpornost na habanje i koroziju.

Svrhe nitriranja

Nitriranje se koristi za poboljšanje površinskih svojstava metala u nekoliko ključnih svrha:

Povećajte tvrdoću površine

Primarna svrha nitriranja je povećanje površinske tvrdoće metala. Dodani dušik reagira s legirajućim elementima stvarajući tvrde nitridne spojeve. Ovaj difuzijski sloj povećava tvrdoću do 1300 HV, čime se poboljšava otpornost na trošenje i nosivost.

Poboljšajte snagu umora

Ojačana dubina kućišta stvorena nitriranjem poboljšava otpornost na zamor komponenti poput zupčanika i osovina. Tlačna naprezanja nastala u nitriranom kućištu povećavaju otpornost na nastanak i širenje pukotina.

Povećajte otpornost na koroziju

Nitriranje poboljšava otpornost na koroziju na dva načina. Prvo, nitridni spojevi su vrlo stabilni i inertni. Drugo, dubina sloja stvorena nitriranjem osigurava da materijal jezgre ostane nepromijenjen ako se površinski sloj istroši.

Minimalna distorzija

Za razliku od metoda kaljenja, nitriranje ne zahtijeva brzo hlađenje dijela. Kao rezultat, nitriranje uzrokuje vrlo malo izobličenja ili zaostalog naprezanja, što ga čini prikladnim za komponente visoke preciznosti. Promjene dimenzija uzrokovane nitriranjem su zanemarive.

Vrste nitriranja

Postoji nekoliko glavnih metoda i varijacija procesa nitriranja koji se koriste u industriji:

• Nitriranje plinom– U plinskom nitriranju, izvor dušika dolazi iz plina amonijaka disociranog na dušik i vodik. Plin amonijak jeftiniji je od čistog dušika. Komponente se zagrijavaju na 500-590°C u zatvorenoj retorti s kontroliranim protokom amonijaka.
• Plazma nitriranje- Plazma nitriranje koristi pražnjenje plazme generirano visokonaponskim napajanjem za stvaranje aktiviranih dušikovih iona. To omogućuje bržu difuziju na nižim temperaturama od 350-590°C. Plazma nitriranje nudi preciznu kontrolu dubine kućišta.
• Nitriranje slane kupke- U nitriranju slane kupke, izvor dušika dolazi iz disocijacije cijanidnih soli poput NaCN. Dijelovi se potapaju u kupelj rastaljene soli cijanida koja se održava na 580-590°C. Nitriranjem u slanoj kupki može se postići vrlo visoka tvrdoća do 1500 HV.
• Nitriranje u fluidiziranom sloju- Nitriranje u fluidiziranom sloju uključuje disocijaciju plinovitog amonijaka u sloju praha glinice fluidiziranog protokom plina. Ova metoda osigurava izvrsnu ujednačenost temperature tijekom tretmana.
• Ostale varijacije- Druge varijante uključuju nitrougljičenje koje dodaje ugljik da se formiraju karbonitridi, naknadno oksidiranje da se formiraju crni oksidni slojevi i nitriranje na niskim temperaturama između 350-380°C. Također se koriste hibridni procesi poput plazma nitrokarburizacije.

Materijali pogodni za nitriranje

Nitriranje se može primijeniti na niz željeznih i neželjeznih legura:

Niskougljični čelici

Niskolegirani čelici s udjelom ugljika manjim od 0.25% obično se nitriraju kako bi se povećala površinska tvrdoća i otpornost na trošenje. Nizak sadržaj ugljika smanjuje stvaranje nestabilnih nitrida željeza. Popularni primjeri uključuju čelike 1018, 4140 i 4340.

Alatni čelici

Alatni čelici uključujući H13, P20 i D2 idealni su za nitriranje zbog svoje visoke prokaljivosti i sadržaja legure. Nitriranje povećava tvrdoću, čvrstoću i vijek trajanja alata za vruće ili hladne primjene.

Nerđajući čelici

Nehrđajući čelici s martenzitnim i precipitacijskim očvršćavanjem kao što su 410, 416, 420 i 17-4PH mogu se učinkovito nitrirati kako bi se poboljšala otpornost na trošenje i koroziju. Može se postići površinska tvrdoća od 1000-1400 HV.

Aluminijske legure

Određene aluminijske legure koje sadrže silicij i magnezij mogu se nitrirati postupkom koji se naziva nitrokarburizacija. Ovo difundira dušik i ugljik istovremeno u leguru.

Legure titana

Legure titana uključujući Ti-6Al-4V mogu se nitrirati plazma metodama. Ovo stvara zaštitni površinski sloj visoke tvrdoće bez utjecaja na duktilnost jezgre i otpornost na lom.

Ostale legure

Ostali materijali kao što su superlegure na bazi nikla, alatni čelici i legure kobalta također se mogu nitrirati. I legure željeza i legure obojenih metala s dovoljnim dodacima legure za stabilizaciju nitrida mogu imati koristi.

Oprema i potrošni materijal za nitriranje

Procesi nitriranja koriste specijalizirane peći, dovode plina i opremu za nadzor temperature:

• Peći za nitriranje
  • Kutijaste ili ormariće peći s retortama nepropusnim za plin i izolacijom za plinsko i plazma nitriranje do 1000°F (590°C).
  • Peći za kupku rastaljene soli za nitriranje solne kupke oko 1100°F (590°C).
  • Peći s fluidiziranim slojem koje sadrže porozne keramičke medije za nitriranje s fluidiziranim slojem.
• dušikov plin
  • Dušik visoke čistoće kao izvor za nitriranje plina.
  • Plin amonijak koji disocira na dušik i vodik za plinsko nitriranje.
• Napajanja
  • Istosmjerni izvori napajanja do 1000 V i nazivne struje preko 10,000 XNUMX ampera za plazma nitriranje.
• Praćenje temperature
  • Termoparovi za praćenje ujednačenosti temperature peći.
  • Pirometri za mjerenje površinske temperature komponenti.
• Potrošna
  • Cijanidne soli za nitriranje solne kupke.
  • Prah glinice za nitriranje u fluidiziranom sloju.
  • Ulje za gašenje, otopine za čišćenje, alati, pribor itd.

Odgovarajuća oprema neophodna je za kontrolu atmosfere nitriranja, temperature i trajanja kako bi se postigla ponovljiva dubina i svojstva kućišta.

Proces nitriranja

Ključni koraci u tipičnom procesu nitriranja su:

1. Čišćenje
   1. Uklonite prljavštinu, ulje, mast, okside i druge nečistoće s površine komponente odmašćivanjem, alkalnim čišćenjem ili dekapiranjem kiselinom.
2. punjenje
   1. Pažljivo stavite komponente u armature ili košare kako biste izbjegli kontaminaciju i osigurali odgovarajuću izloženost.
3. Grijanje i držanje
   1. Zagrijavajte brzinom od 400-800°F/h (220-440°C/h) da postignete temperaturu nitriranja.
   2. Držite na temperaturi nitriranja kako biste omogućili izratcima da postignu toplinsku ravnotežu.
4. Nitriranje
   1. Izložite izratke okolini bogatoj dušikom na temperaturi nitriranja potrebno vrijeme za postizanje dubine kućišta.
   2. Plinoviti amonijak krekira se u dušik i vodik. Plazma stvara ione dušika. Cijanidne soli oslobađaju dušik.
5. Kaljenje
   1. Brzo hlađenje kao u ulju za očuvanje nitrirane strukture. Nije potrebno za neke procese.
6. Istovar i čišćenje
   1. Izvadite izratke i uklonite sve ostatke ulja za gašenje ili soli pranjem.
   2. Nanesite naknadni tretman poput brušenja ili poliranja.

Potrebna je pažljiva kontrola procesa kako bi se postigla željena dubina kućišta, smanjila distorzija i osiguralo stvaranje nitridne faze.

Industrijska primjena nitriranja

Neke uobičajene industrijske upotrebe nitriranja u mehaničkim komponentama uključuju:

Gears

Zupčanici od nitrirane legure čelika imaju veću površinsku tvrdoću i otpornost na zamor. Koristi se u prijenosnim zupčanicima, bregastim zupčanicima, prstenastim zupčanicima itd.

Ležaji

Nitriranje prstenova ležajeva, kotrljajućih tijela i ležajnih površina poboljšava otpornost na trošenje i trajnost pod cikličkim opterećenjem.

radilice

Nitriranje povećava otpornost na zamor uglova i rukavaca radilice. Koristi se u automobilskim i brodskim motorima.

Pistonsi

Klipovi od nitriranog lijevanog aluminija povećavaju otpornost na habanje i otpornost na habanje ljepila o stijenke cilindra.

Ventili

Poboljšano trošenje usisnih i ispušnih ventila motora s unutarnjim izgaranjem s nitriranim čeonicama i osovinama ventila.

Rezanje Alati

Rezni alati od brzoreznog čelika s premazom i karbida tretirani nitriranjem imaju bolje stope uklanjanja metala i životni vijek.

Matrice i kalupi

Nitrirani alatni čelični kalupi i kalupi za lijevanje, kovanje i štancanje pokazuju povećanu izdržljivost i učinkovitost.

Ostale namjene

Uobičajeno u posudama pod tlakom, osovinama, cilindrima, bregovima, pričvrsnim elementima, aktuatorima i komponentama za pogon tekućine.

Povećanje površinske tvrdoće, otpornosti na habanje, čvrstoće na zamor i otpornosti na koroziju čini nitriranje idealnim za kritične mehaničke dijelove.

Nitriranje u nakitu i dodacima

Iako je manje uobičajeno od industrijske upotrebe, nitriranje ima neke posebne primjene u nakitu i modnim dodacima:

Poboljšana površina površine

Nitriranje može pružiti glatku jednoličnu završnu obradu metalnih komponenti nakita kao što su prstenje, narukvice i kućišta satova. Time se smanjuje potreba za sekundarnim poliranjem.

Poboljšana otpornost na koroziju

Nitrirani sloj poboljšava otpornost na koroziju za komade nakita izložene vlazi poput prstenja, narukvica, lančića i metalnih remena za satove.

Dekorativni crni premazi

Selektivno crnjenje ugraviranih površina nitriranjem nehrđajućeg čelika ili titana može dati ukrasne uzorke i naglaske na nakitu.

Otvrdnute površine

Poboljšana otpornost na habanje za predmete nakita koji se često koriste kao što su muško prstenje i metalne trake za satove kroz površinsko otvrdnjavanje.

Uštede troškova

U određenim metalima, nitriranje može dati prednosti u radu u odnosu na galvanizaciju ili PVD premaze po nižoj cijeni.

Percepcija kupaca

Neki luksuzni brendovi koriste nitriranje zbog uočenih prednosti tehnologije i površinske obrade.

Iako nije tako rasprostranjeno kao u proizvodnim industrijama, nitriranje može pružiti funkcionalne i estetske prednosti za odabrane primjene nakita. Potrebna je odgovarajuća kontrola kako bi se održao izgled metala za nakit.

Usporedba s drugim postupcima površinskog otvrdnjavanja

Nitriranje se razlikuje od ostalih uobičajenih procesa površinskog otvrdnjavanja na nekoliko načina:

naugljičenja

Naugljičenje difundira ugljik, a ne dušik u površinu čelika. Stvara tvrđi, ali manje stabilan martenzitni omotač. Nitriranje osigurava bolju otpornost na koroziju.

Nitrokarburizacija

Nitrokarburiranje dodaje i dušik i ugljik istovremeno. Kombinirano kućište karbonitrida može ponuditi prednosti u odnosu na bilo koje pojedinačno.

Indukcijsko kaljenje

Indukcijsko kaljenje brzo zagrijava i prigušuje površinu putem elektromagnetske indukcije. Nitriranje osigurava veću dubinu kućišta i manje izobličenja.

Kaljenje plamenom

S kaljenjem plamenom, baklje s kisikom brzo zagrijavaju površinu prije gašenja. Nitriranje može učinkovitije očvrsnuti složene geometrije.

Taloženje tvrdog filma

Tehnike taloženja tvrdog filma kao što su PVD, CVD i premazi toplinskim raspršivanjem talože tanku keramičku prevlaku na površinu. Nitriranje difundira dušik u sam metal supstrata radi boljeg prianjanja i otpornosti na zamor. Međutim, premazi mogu pružiti dodatne prednosti poput izolacije ili otpornosti na visoke temperature.