מה זה ניטרידינג?

בסיס של Nitriding

ניטרידינג הוא תהליך טיפול בחום המפיץ חנקן לתוך פני השטח של מתכת כדי ליצור משטח מוקשה. החנקן המוסף מגביר את הקשיות ועמידות הבלאי מבלי להשפיע באופן משמעותי על התכונות המתכותיות של הליבה. במהלך החנקה, המתכת מחוממת ל-500-550 מעלות צלזיוס באווירה עשירה בחנקן. חנקן מתפזר אל פני השטח עד לעומק של עד 0.5 מ"מ ומגיב עם יסודות סגסוגת כמו אלומיניום, ונדיום וכרום ליצירת ניטרידים קשים. ניטרידים אלו מגדילים את קשיות פני השטח עד 1300 HV, ומשפרים את ההתנגדות לבלאי ועמידות בפני קורוזיה.

מטרות של Nitriding

ניטרידינג משמש לשיפור תכונות פני השטח של מתכות למספר מטרות מפתח:

הגדל את קשיות פני השטח

המטרה העיקרית של ניטרידינג היא להגדיל את קשיות פני השטח של מתכות. החנקן המוסף מגיב עם יסודות מתג ליצירת תרכובות ניטריד קשות. שכבת דיפוזיה זו מגדילה את הקשיות עד 1300 HV, מה שמשפר את עמידות הבלאי ויכולת העומס.

שפר את חוזק העייפות

עומק המארז המוקשה שנוצר על ידי ניטרידינג משפר את חוזק העייפות של רכיבים כמו גלגלי שיניים וצירים. מתחי הלחיצה הנוצרים במקרה הניטריד מגבירים את העמידות בפני התחלת הסדקים והתפשטותם.

שפר את עמידות בפני קורוזיה

ניטרידינג משפר את עמידות בפני קורוזיה בשתי דרכים. ראשית, תרכובות הניטריד הן מאוד יציבות ואינרטיות. שנית, עומק השכבה שנוצר על ידי ניטרידינג מבטיח שחומר הליבה יישאר בלתי מושפע אם שכבת פני השטח נשחקת.

עיוות מינימלי

שלא כמו שיטות התקשות מרווה, ניטרידינג אינו דורש קירור מהיר של החלק. כתוצאה מכך, ניטרידינג גורם מעט מאוד עיוות או מתח שיורי, מה שהופך אותו מתאים לרכיבים דיוק גבוה. השינויים הממדיים הנגרמים על ידי ניטרידינג הם זניחים.

סוגי ניטרידינג

ישנן מספר שיטות ווריאציות עיקריות של תהליך הניטרידינג המשמש בתעשייה:

• ניטרד גז- בחנקת גז, מקור החנקן מגיע מגז אמוניה המתפרק לחנקן ומימן. גז האמוניה זול יותר מגז חנקן טהור. רכיבים מחוממים ל-500-590 מעלות צלזיוס ברטורט אטום עם זרימת אמוניה מבוקרת.
• ניטרד פלזמה- Nitriding פלזמה משתמש בפריקת פלזמה הנוצרת על ידי ספק כוח במתח גבוה כדי ליצור יוני חנקן פעילים. זה מאפשר דיפוזיה מהירה יותר בטמפרטורות נמוכות יותר של 350-590 מעלות צלזיוס. ניטרד פלזמה מציע שליטה מדויקת על עומק המארז.
• חיטוי אמבט מלח- בחנקה באמבט מלח, מקור החנקן מגיע מהתנתקות של מלחי ציאניד כמו NaCN. חלקים שקועים באמבט מלח ציאניד מותך הנשמר על 580-590 מעלות צלזיוס. ניטריצה ​​באמבט מלח יכולה להשיג קשיות מארז גבוהה מאוד עד 1500 HV.
• חיטוי מיטה נוזלית- ניטרידינג במיטה נוזלית כרוך בפירוק גז אמוניה במצע של אבקת אלומינה הנוזלת על ידי זרימת גז. שיטה זו מספקת אחידות טמפרטורה מעולה במהלך הטיפול.
• וריאציות אחרות- וריאציות אחרות כוללות nitrocarburizing המוסיף פחמן ליצירת קרבוניטרידים, לאחר חמצון ליצירת שכבות תחמוצת שחורות, וניטרידינג בטמפרטורה נמוכה בין 350-380 מעלות צלזיוס. נעשה שימוש גם בתהליכים היברידיים כמו nitrocarburizing בפלזמה.

חומרים מתאימים לניטרידינג

ניתן ליישם ניטרידינג על מגוון של סגסוגות ברזליות ולא ברזליות:

פלדות פחמן נמוכות

פלדות מסגסוגת נמוכה עם פחמן פחות מ-0.25% נהוגות לחנוק כדי להגביר את קשיות פני השטח ועמידות בפני שחיקה. תכולת הפחמן הנמוכה מפחיתה היווצרות של ניטרידי ברזל לא יציבים. דוגמאות פופולריות כוללות פלדות 1018, 4140 ו-4340.

פלדות כלי עבודה

פלדות כלי עבודה כולל H13, P20 ו-D2 הן אידיאליות לניטרידינג בשל יכולת ההתקשות הגבוהה שלהן ותכולת הסגסוגת. ניטרידינג מגביר את הקשיות, החוזק והחיים בכלי עבודה ליישומי עבודה חמה או קרה.

נירוסטה

פלדות אל חלד מתקשות מרטנסית ומשקעים כמו 410, 416, 420 ו-17-4PH ניתנות לניטריד יעיל כדי לשפר את ההתנגדות לבלאי וקורוזיה. ניתן להשיג קשיות פני השטח של 1000-1400 HV.

סגסוגות אלומיניום

ניתן לנטרל סגסוגות אלומיניום מסוימות המכילות סיליקון ומגנזיום באמצעות תהליך הנקרא nitrocarburizing. זה מפזר חנקן ופחמן בו זמנית לתוך הסגסוגת.

סגסוגות טיטניום

ניתן לנטרל סגסוגות טיטניום כולל Ti-6Al-4V באמצעות שיטות פלזמה. זה יוצר שכבת משטח מגן בקשיחות גבוהה מבלי להשפיע על משיכות הליבה וקשיחות השבר.

סגסוגות אחרות

חומרים אחרים כמו סגסוגות-על מבוססות ניקל, פלדות כלי עבודה וסגסוגות קובלט ניתנים גם לניטריד. הן סגסוגות ברזליות והן סגסוגות לא ברזליות עם תוספות סגסוג מספיקות לייצוב ניטרידים יכולות להועיל.

ציוד וחומרים מתכלים לניגוד

תהליכי ניטרידינג משתמשים בתנורים מיוחדים, אספקת גז וציוד ניטור טמפרטורה:

• תנורי ניטרד
  • תנורים בסגנון קופסה או ארון עם תנורים אטומים לגז ובידוד לניגוד גז ופלזמה עד 1000°F (590°C).
  • תנורי אמבט מלח מותך לניגוד אמבט מלח בסביבות 1100°F (590°C).
  • תנורי מיטה נוזלית המכילים חומרי קרמיקה נקבוביים לניטריצה ​​במיטה נוזלית.
• גז חנקן
  • גז חנקן בטוהר גבוה כמקור לחנקת גז.
  • גז אמוניה המתפרק לחנקן ומימן לצורך חנקת גז.
• ספקי כוח
  • ספקי כוח DC עד 1000V ודירוג זרם מעל 10,000 אמפר עבור ניטרד פלזמה.
• ניטור טמפרטורה
  • צמדים תרמיים לניטור אחידות טמפרטורת התנור.
  • פירומטרים למדידת טמפרטורת פני השטח של רכיבים.
• מתכלה
  • מלחי ציאניד לניטריצה ​​באמבט מלח.
  • אבקת אלומינה לניטריצה ​​במיטה נוזלית.
  • שמן מרווה, פתרונות ניקוי, כלי עבודה, מתקנים וכו'.

ציוד מתאים חיוני לשליטה באווירת הניטרידינג, הטמפרטורה ומשך הזמן כדי להשיג עומק ומאפיינים ניתנים לחזרה.

תהליך ניטרד

שלבי המפתח בתהליך ניטרידינג טיפוסי הם:

1. ניקוי
   1. הסר לכלוך, שמן, שומן, תחמוצות ומזהמים אחרים ממשטח הרכיב באמצעות הסרת שומנים, ניקוי אלקליין או כבישה חומצית.
2. טעינה
   1. טען רכיבים בזהירות לתוך מתקנים או סלים כדי למנוע זיהום ולהבטיח חשיפה נאותה.
3. חימום ואחזקה
   1. מחממים בקצב של 400-800 מעלות לשעה (220-440 מעלות צלזיוס לשעה) כדי להגיע לטמפרטורת החנקה.
   2. החזק בטמפרטורת החנקה כדי לאפשר לחלקי העבודה להגיע לשיווי משקל תרמי.
4. ניטרידינג
   1. חשפו חלקי עבודה לסביבה עשירה בחנקן בטמפרטורת ניטרידה למשך הזמן הנדרש להשגת עומק המארז.
   2. גז אמוניה נסדק לחנקן ומימן. הפלזמה יוצרת יוני חנקן. מלחי ציאניד משחררים חנקן.
5. מרווה
   1. קירור מהיר כמו בשמן לשימור המבנה הניטריד. לא נדרש עבור תהליכים מסוימים.
6. פריקה וניקיון
   1. פרק חלקי עבודה והסר שאריות משמן או מלחים על ידי כביסה.
   2. יש למרוח לאחר טיפול כמו השחזה או הברקה.

יש צורך בבקרת תהליכים זהירה כדי להשיג את עומק המארז הרצוי, למזער עיוותים ולהבטיח היווצרות פאזת ניטריד.

יישומים תעשייתיים של ניטרידינג

כמה שימושים תעשייתיים נפוצים של ניטרידינג ברכיבים מכניים כוללים:

Gears

לגלגלי השיניים מפלדה מסגסוגת ניטרידית יש קשיות פני השטח וחוזק עייפות גבוהים יותר. משמש בגלגלי שיניים, גלגלי שיניים, גלגלי שיניים טבעתיים וכו'.

מסבים

ניטריצה ​​של גזעי מיסבים, אלמנטים מתגלגלים ומשטחי מיסבים משפרת את עמידות הבלאי והעמידות תחת עומס מחזורי.

גל ארכובה

ניטרידינג מגביר את חוזק העייפות של פילטים ולוחות גל ארכובה. משמש במנועי רכב וימיים.

הפיסטונס

בוכנות יצוק מאלומיניום ניטריד מגביר את התנגדות השפשוף ואת ההתנגדות לבלאי דבק כנגד קירות צילינדר.

שסתום

שחיקה משופרת בשסתומי היניקה והפליטה של ​​מנועי בעירה פנימית עם פנים וגבעולים של שסתומים ניטרידיים.

כלי חיתוך

לכלי חיתוך פלדה וקרביד מצופים במהירות גבוהה המטופלים בניטרידינג יש שיעורי הסרת מתכות וחיים טובים יותר.

מת ועובש

תבניות וכלים מפלדת כלי ניטרידית ליציקה, פרזול והטבעה מציגות עמידות וביצועים משופרים.

שימושים אחרים

נפוץ במכלי לחץ, פירים, צילינדרים, מצלמות, מחברים, מפעילים ורכיבי כוח נוזלים.

הגידול בקשיות פני השטח, עמידות בפני שחיקה, חוזק עייפות ועמידות בפני קורוזיה הופכים את הניטרידינג לאידיאלי עבור חלקים מכניים קריטיים.

ניטרידינג בתכשיטים ואביזרים

למרות שפחות נפוץ משימושים תעשייתיים, לניטרידינג יש כמה יישומי נישה בתכשיטים ואביזרי אופנה:

גימור פני השטח משופר

Nitriding יכול לספק גימור משטח אחיד חלק על רכיבי מתכת תכשיטים כמו טבעות, צמידים וכיסויי שעונים. זה מקטין את הצורך בליטוש משני.

עמידות בפני קורוזיה משופרת

שכבת הניטריד משפרת את עמידות בפני קורוזיה עבור תכשיטים החשופים ללחות כמו טבעות, צמידים, שרשראות ורצועות שעון מתכת.

ציפויים שחורים דקורטיביים

השחרה סלקטיבית של משטחים חרוטים על ידי ניטרד של פלדת אל חלד או טיטניום יכולה לספק דפוסים דקורטיביים והדגשות על תכשיטים.

משטחים מוקשים

עמידות משופרת ללבוש עבור פריטי תכשיטים בשימוש רב כמו טבעות גברים ורצועות שעון מתכת באמצעות התקשות פני השטח.

חיסכון עלויות

במתכות מסוימות, ניטרידינג עשוי לספק יתרונות ביצועים על פני ציפוי או ציפוי PVD בעלות נמוכה יותר.

תפיסת לקוח

כמה מותגי יוקרה משתמשים בניטריד ליתרונות הנתפסים של הטכנולוגיה וגימור פני השטח.

למרות שאינו נפוץ כמו בתעשיות הייצור, ניטרידינג יכול לספק יתרונות פונקציונליים ואסתטיים עבור יישומי תכשיטים נבחרים. יש צורך בשליטה נכונה כדי לשמור על המראה של מתכות תכשיטים.

השוואה לתהליכי הקשחת משטח אחרים

ניטרידינג שונה מתהליכי התקשות פני שטח נפוצים בכמה דרכים:

קרביזציה

קרבוריזציה מפזרת פחמן ולא חנקן לתוך פני הפלדה. זה יוצר מארז מרטנסיטי קשה יותר אך פחות יציב. ניטרידינג מספק עמידות טובה יותר בפני קורוזיה.

Nitrocarburizing

Nitrocarburizing מוסיף גם חנקן ופחמן בו זמנית. מארז הקרבוניטריד המשולב יכול להציע יתרונות על פני כל אחד לבדו.

אינדוקציה הקשחת

התקשות אינדוקציה מחממת במהירות ומכבה את פני השטח באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית. Nitriding מספק עומק מארז עמוק יותר ופחות עיוותים.

התקשות להבה

עם התקשות להבה, לפידי דלק חמצן מחממים במהירות את פני השטח לפני כיבוי. ניטרד יכול להקשיח גיאומטריות מורכבות בצורה יעילה יותר.

תצהיר סרט קשה

טכניקות שקיעה של סרט קשיח כמו PVD, CVD וציפויים מרוססים תרמית מטילים ציפוי קרמי דק על פני השטח. ניטרידינג מפזר חנקן למתכת התשתית עצמה להדבקה טובה יותר והתנגדות לעייפות. עם זאת, ציפויים יכולים לספק יתרונות נוספים כמו בידוד או עמידות בטמפרטורה גבוהה.