Mi az a nitridálás?

A nitridálás alapja

A nitridálás egy hőkezelési eljárás, amely nitrogént diffundál a fém felületébe, hogy keményedzett felületet hozzon létre. A hozzáadott nitrogén növeli a keménységet és a kopásállóságot anélkül, hogy jelentősen befolyásolná a mag metallurgiai tulajdonságait. A nitridálás során a fémet nitrogénben gazdag atmoszférában 500-550°C-ra hevítik. A nitrogén 0.5 mm mélyen bediffundál a felületbe, és reakcióba lép az ötvözőelemekkel, például alumíniummal, vanádiummal és krómmal, kemény nitrideket képezve. Ezek a nitridek 1300 HV-ig növelik a felületi keménységet, javítva a kopás- és korrózióállóságot.

A nitridálás céljai

A nitridálást a fémek felületi tulajdonságainak javítására használják számos kulcsfontosságú célra:

Növelje a felületi keménységet

A nitridálás elsődleges célja a fémek felületi keménységének növelése. A hozzáadott nitrogén reakcióba lép az ötvöző elemekkel, és kemény nitridvegyületeket képez. Ez a diffúziós réteg 1300 HV-ig növeli a keménységet, ami javítja a kopásállóságot és a terhelhetőséget.

Javítja a fáradtság erejét

A nitridálással létrehozott edzett házmélység javítja az alkatrészek, például a fogaskerekek és tengelyek fáradási szilárdságát. A nitridált tokban kialakuló nyomófeszültségek növelik a repedés keletkezésével és terjedésével szembeni ellenállást.

Növelje a korrózióállóságot

A nitridálás kétféle módon javítja a korrózióállóságot. Először is, a nitridvegyületek nagyon stabilak és inertek. Másodszor, a nitridálással létrehozott rétegmélység biztosítja, hogy a maganyag érintetlenül maradjon, ha a felületi réteg elhasználódik.

Minimális torzítás

Ellentétben a kvench edzési módszerekkel, a nitridálás nem igényli az alkatrész gyors hűtését. Ennek eredményeként a nitridálás nagyon csekély torzítást vagy maradékfeszültséget okoz, így alkalmas nagy pontosságú alkatrészekhez. A nitridálás okozta méretváltozások elhanyagolhatóak.

A nitridálás típusai

A nitridálási eljárásnak számos fő módszere és változata létezik az iparban:

• Gáznitridálás– A gáznitridálás során a nitrogénforrás a nitrogénre és hidrogénre disszociált ammóniagázból származik. Az ammóniagáz olcsóbb, mint a tiszta nitrogéngáz. Az alkatrészeket 500-590 °C-ra melegítik egy zárt retortában, szabályozott ammóniaáramlás mellett.
• Plazma nitridálás - A plazmanitridálás nagyfeszültségű tápegység által generált plazma kisülést használ az aktivált nitrogénionok létrehozására. Ez gyorsabb diffúziót tesz lehetővé alacsonyabb, 350-590°C hőmérsékleten. A plazmanitridálás precíz szabályozást tesz lehetővé a ház mélysége felett.
• Sófürdő nitridálás - A sófürdős nitridálás során a nitrogénforrás a cianidsók, például a NaCN disszociációjából származik. Az alkatrészeket olvadt cianid sófürdőbe merítjük, amelyet 580-590 °C-on tartunk. A sófürdős nitridálással nagyon magas, akár 1500 HV-ig terjedő keménység érhető el.
• Fluidizált ágyas nitridálás - A fluidágyas nitridálás során ammóniagázt disszociálnak gázárammal fluidizált alumínium-oxid por ágyban. Ez a módszer kiváló hőmérsékleti egyenletességet biztosít a kezelés során.
• Egyéb variációk - További változatok közé tartozik a nitrokarburálás, amely szén hozzáadásával karbonitrideket képez, az utóoxidáció fekete-oxid rétegeket képez, és az alacsony hőmérsékletű nitridálás 350-380 °C között. Hibrid eljárásokat, például plazma nitrokarbonizálást is alkalmaznak.

Nitridálásra alkalmas anyagok

A nitridálás számos vas- és színesfémötvözetre alkalmazható:

Alacsony széntartalmú acélok

A 0.25%-nál kevesebb széntartalmú, gyengén ötvözött acélokat általában nitridálják a felületi keménység és a kopásállóság növelése érdekében. Az alacsony széntartalom csökkenti az instabil vas-nitridek képződését. A népszerű példák közé tartozik az 1018, 4140 és 4340 acél.

Szerszámacélok

A H13, P20 és D2 szerszámacélok kiváló edzhetőségük és ötvözettartalmuk miatt ideálisak nitridáláshoz. A nitridálás növeli a keménységet, a szilárdságot és az élettartamot a forró vagy hideg munkákhoz használt szerszámokban.

Rozsdamentes acélok

A martenzites és csapadékedzésű rozsdamentes acélok, mint a 410, 416, 420 és 17-4PH hatékonyan nitridálhatók a kopás- és korrózióállóság javítása érdekében. 1000-1400 HV felületi keménység érhető el.

Alumínium ötvözetek

Bizonyos szilíciumot és magnéziumot tartalmazó alumíniumötvözetek nitridálhatók nitrokarburizálásnak nevezett eljárással. Ez egyszerre diffundálja a nitrogént és a szenet az ötvözetbe.

Titánötvözetek

A titánötvözetek, beleértve a Ti-6Al-4V-t is, plazmamódszerekkel nitridálhatók. Ez nagy keménységű védőfelületi réteget hoz létre anélkül, hogy befolyásolná a mag hajlékonyságát és törési szívósságát.

Egyéb ötvözetek

Más anyagok, például nikkelalapú szuperötvözetek, szerszámacélok és kobaltötvözetek is nitridálhatók. Mind a vas-, mind a színesfém ötvözetek, amelyek elegendő ötvöző adalékanyagot tartalmaznak a nitridek stabilizálására, előnyösek lehetnek.

Berendezések és fogyóeszközök nitridáláshoz

A nitridálási eljárások speciális kemencéket, gázellátást és hőmérséklet-ellenőrző berendezéseket használnak:

• Nitridáló kemencék
  • Dobozos vagy szekrényes kemencék gáztömör retortákkal és szigeteléssel gáz- és plazmanitridáláshoz 1000°C-ig.
  • Olvadt sófürdős kemencék sófürdős nitridáláshoz 1100°C körüli hőmérsékleten.
  • Porózus kerámia közeget tartalmazó fluidágyas kemencék fluidágyas nitridáláshoz.
• Nitrogén gáz
  • Nagy tisztaságú nitrogéngáz a gáznitridálás forrásaként.
  • Ammóniagáz, amely nitrogénre és hidrogénre disszociál a gáz nitridálásához.
• Tápegységek
  • Egyenáramú tápegységek 1000 V-ig és 10,000 XNUMX amper feletti névleges áramerősséggel a plazmanitridáláshoz.
• Hőmérséklet-figyelő
  • Hőelemek a kemence hőmérsékletének egyenletességének ellenőrzésére.
  • Pirométerek az alkatrészek felületi hőmérsékletének mérésére.
• Kellékanyagok
  • Ciános sók sófürdő nitridálásához.
  • Alumínium-oxid por fluidágyas nitridáláshoz.
  • Olajat, tisztítóoldatokat, szerszámokat, szerelvényeket stb.

A megfelelő felszerelés elengedhetetlen a nitridálási atmoszféra, a hőmérséklet és az időtartam szabályozásához, hogy megismételhető tokmélység és tulajdonságok érhetők el.

Nitridálási folyamat

A tipikus nitridálási folyamat legfontosabb lépései a következők:

1. Takarításra
   1. Távolítsa el a szennyeződést, olajat, zsírt, oxidokat és egyéb szennyeződéseket az alkatrész felületéről zsírtalanítással, lúgos tisztítással vagy savas pácolással.
2. Rakodás
   1. A szennyeződés elkerülése és a megfelelő expozíció biztosítása érdekében óvatosan töltse be az alkatrészeket a szerelvényekbe vagy kosarakba.
3. Fűtés és tartás
   1. Melegítse 400-800 °F/óra (220-440 °C/óra) sebességgel, hogy elérje a nitridálási hőmérsékletet.
   2. Tartsa nitridálási hőmérsékleten, hogy a munkadarabok elérjék a termikus egyensúlyt.
4. Nitridálás
   1. Tegye ki a munkadarabokat nitrogénben gazdag környezetnek nitridálási hőmérsékleten a szükséges ideig a tokmélység eléréséhez.
   2. Az ammóniagáz nitrogénné és hidrogénné reped. A plazma nitrogénionokat termel. A cianidsók nitrogént szabadítanak fel.
5. A hirtelen hűtés
   1. Gyors hűtés, például olajban a nitridált szerkezet megőrzése érdekében. Egyes folyamatokhoz nem szükséges.
6. Kirakodás és tisztítás
   1. Vegye ki a munkadarabokat, és mosással távolítsa el az oltóolaj vagy sók maradványait.
   2. Alkalmazzon utókezelést, például csiszolást vagy polírozást.

Gondos folyamatszabályozás szükséges a kívánt tokmélység eléréséhez, a torzítás minimalizálásához és a nitridfázis kialakulásának biztosításához.

A nitridálás ipari alkalmazásai

A nitridálás néhány általános ipari felhasználása a mechanikai alkatrészekben:

Szinkron

A nitridált ötvözött acél fogaskerekek felületi keménysége és kifáradási szilárdsága nagyobb. Használt sebességváltó fogaskerekek, bütykös fogaskerekek, gyűrűs fogaskerekek stb.

Csapágyak

A csapágypályák, gördülőelemek és csapágyfelületek nitridálása javítja a kopásállóságot és a tartósságot ciklikus terhelés esetén.

főtengelyek

A nitridálás növeli a főtengely-szeletek és csapok fáradási szilárdságát. Autó- és tengeri motorokban használják.

Pistons

A nitridált alumíniumöntvény dugattyúk növelik a kopásállóságot és a tapadó kopásállóságot a hengerfalakkal szemben.

szelepek

A nitridált szeleplappal és -szárral rendelkező belső égésű motorok szívó- és kipufogószelepeinek jobb kopása.

Vágó eszközök

A bevonatos gyorsacél és keményfém vágószerszámok, amelyeket nitridálással kezeltek, jobb fémeltávolítási sebességgel és élettartammal rendelkeznek.

Formák és formák

A nitridált szerszámacél öntőformák és szerszámok öntéshez, kovácsolásához és sajtoláshoz fokozott tartósságot és teljesítményt mutatnak.

más célra történő felhasználás

Gyakori a nyomástartó edényekben, tengelyekben, hengerekben, bütykökben, kötőelemekben, működtetőelemekben és folyadékhajtóművekben.

A felületi keménység, a kopásállóság, a fáradási szilárdság és a korrózióállóság növekedése ideálissá teszi a nitridálást a kritikus mechanikai alkatrészekhez.

Nitridálás az ékszerekben és kiegészítőkben

Noha a nitridálás kevésbé elterjedt, mint az ipari felhasználás, a nitridálásnak van néhány szűkebb alkalmazása az ékszerek és divatkiegészítők területén:

Továbbfejlesztett felületkezelés

A nitridálás sima, egyenletes felületkezelést biztosíthat az ékszer fémalkatrészeinek, például gyűrűknek, karkötőknek és óratokoknak. Ez csökkenti a másodlagos polírozás szükségességét.

Fokozott korrózióállóság

A nitridált réteg javítja a nedvességnek kitett ékszerek, például gyűrűk, karkötők, láncok és fém óraszíjak korrózióállóságát.

Dekoratív fekete bevonatok

A maratott felületek szelektív feketedése rozsdamentes acél vagy titán nitridálásával dekoratív mintákat és hangsúlyokat adhat az ékszereken.

Edzett felületek

Fokozott kopásállóság a nagy igénybevételű ékszerekhez, például férfi gyűrűkhöz és fém óraszíjakhoz a felületi keményítés révén.

Költségmegtakarítás

Egyes fémeknél a nitridálás teljesítményelőnyt jelenthet a bevonattal vagy a PVD-bevonatokkal szemben, alacsonyabb költségek mellett.

Ügyfél észlelése

Egyes luxusmárkák nitridálást használnak a technológia és a felületkezelés érzékelt előnyei érdekében.

Noha nem olyan elterjedt, mint a feldolgozóiparban, a nitridálás funkcionális és esztétikai előnyöket biztosíthat bizonyos ékszer-alkalmazásoknál. Az ékszerfémek megjelenésének megőrzéséhez megfelelő ellenőrzésre van szükség.

Összehasonlítás más felületkeményedési eljárásokkal

A nitridálás több szempontból is különbözik a többi szokásos felületkeményedési eljárástól:

karburizálás

A karburálás nitrogén helyett szenet diffundál az acél felületébe. Keményebb, de kevésbé stabil martenzites tokot hoz létre. A nitridálás jobb korrózióállóságot biztosít.

Nitrokarbonizálás

A nitrokarbonizálás egyszerre ad nitrogént és szenet. A kombinált karbonitrid tok előnyöket kínálhat bármelyikkel szemben önmagában.

Indukciós edzés

Az indukciós edzés az elektromágneses indukció révén gyorsan felmelegíti és kioltja a felületet. A nitridálás mélyebb tokmélységet és kevesebb torzítást biztosít.

Láng keményedés

A lángkeményítéssel az oxigén-üzemanyagú fáklyák gyorsan felmelegítik a felületet az oltás előtt. A nitridálás hatékonyabban keményítheti az összetett geometriákat.

Hard Film Deposition

A keményfilm-leválasztási technikák, például a PVD, CVD és termikusan szórt bevonatok vékony kerámia bevonatot helyeznek fel a felületre. A nitridálás a nitrogént magába az alapfémbe diffundálja a jobb tapadás és a fáradásállóság érdekében. A bevonatok azonban további előnyökkel járhatnak, mint például a szigetelés vagy a magas hőmérséklet-állóság.