Apakah Nitriding?

Asas Nitriding

Nitriding ialah proses merawat haba yang meresap nitrogen ke dalam permukaan logam untuk menghasilkan permukaan yang dikeraskan. Nitrogen tambahan meningkatkan kekerasan dan rintangan haus tanpa menjejaskan sifat metalurgi teras dengan ketara. Semasa nitriding, logam dipanaskan hingga 500-550°C dalam suasana yang kaya dengan nitrogen. Nitrogen meresap ke dalam permukaan sehingga 0.5 mm dalam dan bertindak balas dengan unsur pengaloian seperti aluminium, vanadium dan kromium untuk membentuk nitrida keras. Nitrida ini meningkatkan kekerasan permukaan sehingga 1300 HV, meningkatkan rintangan haus dan kakisan.

Tujuan Nitriding

Nitriding digunakan untuk memperbaiki sifat permukaan logam untuk beberapa tujuan utama:

Tingkatkan Kekerasan Permukaan

Tujuan utama nitriding adalah untuk meningkatkan kekerasan permukaan logam. Nitrogen tambahan bertindak balas dengan unsur mengaloi untuk membentuk sebatian nitrida keras. Lapisan resapan ini meningkatkan kekerasan sehingga 1300 HV, yang meningkatkan rintangan haus dan kapasiti beban.

Meningkatkan Kekuatan Keletihan

Kedalaman kotak yang mengeras yang dihasilkan oleh nitriding meningkatkan kekuatan keletihan komponen seperti gear dan aci. Tegasan mampatan yang terbentuk dalam bekas nitrid meningkatkan rintangan kepada permulaan retak dan perambatan.

Tingkatkan Ketahanan Kakisan

Nitriding meningkatkan rintangan kakisan dalam dua cara. Pertama, sebatian nitrida adalah sangat stabil dan lengai. Kedua, kedalaman lapisan yang dicipta oleh nitriding memastikan bahan teras kekal tidak terjejas jika lapisan permukaan haus.

Herotan Minimum

Tidak seperti kaedah pengerasan quench, nitriding tidak memerlukan penyejukan cepat bahagian. Akibatnya, nitriding menyebabkan herotan atau tekanan baki yang sangat sedikit, menjadikannya sesuai untuk komponen berketepatan tinggi. Perubahan dimensi yang disebabkan oleh nitriding boleh diabaikan.

Jenis Nitriding

Terdapat beberapa kaedah utama dan variasi proses nitriding yang digunakan dalam industri:

• Gas Nitriding– Dalam gas nitriding, sumber nitrogen berasal daripada gas ammonia yang dipisahkan kepada nitrogen dan hidrogen. Gas ammonia lebih murah daripada gas nitrogen tulen. Komponen dipanaskan hingga 500-590°C dalam retort tertutup dengan aliran ammonia terkawal.
• Nitriding Plasma- Nitriding plasma menggunakan nyahcas plasma yang dijana oleh bekalan kuasa voltan tinggi untuk mencipta ion nitrogen diaktifkan. Ini membolehkan resapan lebih cepat pada suhu yang lebih rendah iaitu 350-590°C. Nitriding plasma menawarkan kawalan tepat ke atas kedalaman kotak.
• Nitriding Mandian Garam- Dalam nitriding mandian garam, sumber nitrogen berasal daripada penceraian garam sianida seperti NaCN. Bahagian direndam dalam mandian garam sianida cair yang dikekalkan pada 580-590°C. Nitriding mandian garam boleh mencapai kekerasan kes yang sangat tinggi sehingga 1500 HV.
• Nitriding Katil Terbendalir- Nitriding lapisan terbendalir melibatkan pemisahan gas ammonia dalam lapisan serbuk alumina yang dibendalirkan oleh aliran gas. Kaedah ini memberikan keseragaman suhu yang sangat baik semasa rawatan.
• Variasi lain- Variasi lain termasuk nitrokarburisasi yang menambah karbon untuk membentuk karbonitrida, pasca-pengoksidaan untuk membentuk lapisan oksida hitam, dan nitriding suhu rendah antara 350-380°C. Proses hibrid seperti plasma nitrokarburizing juga digunakan.

Bahan yang Sesuai untuk Nitriding

Nitriding boleh digunakan pada pelbagai aloi ferus dan bukan ferus:

Keluli Karbon Rendah

Keluli aloi rendah dengan karbon kurang daripada 0.25% biasanya dinitrida untuk meningkatkan kekerasan permukaan dan rintangan haus. Kandungan karbon yang rendah mengurangkan pembentukan nitrida besi yang tidak stabil. Contoh popular termasuk keluli 1018, 4140 dan 4340.

Keluli Alat

Keluli alat termasuk H13, P20, dan D2 sesuai untuk nitriding kerana kebolehkerasan tinggi dan kandungan aloi. Nitriding meningkatkan kekerasan, kekuatan dan hayat dalam perkakas untuk aplikasi kerja panas atau sejuk.

Keluli tahan karat

Keluli tahan karat pengerasan martensit dan pemendakan seperti 410, 416, 420, dan 17-4PH boleh dinitrida dengan berkesan untuk meningkatkan rintangan haus dan kakisan. Kekerasan permukaan 1000-1400 HV boleh dicapai.

Aluminium alloys

Aloi aluminium tertentu yang mengandungi silikon dan magnesium boleh dinitrida melalui proses yang dipanggil nitrokarburisasi. Ini meresap nitrogen dan karbon secara serentak ke dalam aloi.

Aloi Titanium

Aloi titanium termasuk Ti-6Al-4V boleh dinitrid melalui kaedah plasma. Ini mewujudkan lapisan permukaan pelindung kekerasan tinggi tanpa menjejaskan kemuluran teras dan keliatan patah.

Aloi Lain

Bahan lain seperti superaloi berasaskan nikel, keluli alat dan aloi kobalt juga boleh dinitridakan. Kedua-dua aloi ferus dan bukan ferus dengan penambahan pengaloian yang mencukupi untuk menstabilkan nitrida boleh mendapat manfaat.

Peralatan dan Bahan Habis untuk Nitriding

Proses nitriding menggunakan relau khusus, bekalan gas, dan peralatan pemantauan suhu:

• Relau Nitriding
  • Relau gaya kotak atau kabinet dengan retort ketat gas dan penebat untuk gas dan nitriding plasma sehingga 1000°F (590°C).
  • Relau mandian garam cair untuk mandian garam nitriding sekitar 1100°F (590°C).
  • Relau katil terbendalir yang mengandungi media seramik berliang untuk nitriding katil terbendalir.
• Gas Nitrogen
  • Gas nitrogen ketulenan tinggi sebagai sumber untuk gas nitriding.
  • Gas ammonia yang terurai menjadi nitrogen dan hidrogen untuk gas nitriding.
• Power Supplies
  • Bekalan kuasa DC sehingga 1000V dan penarafan semasa melebihi 10,000 amp untuk nitriding plasma.
• Pemantauan Suhu
  • Termokopel untuk memantau keseragaman suhu relau.
  • Pirometer untuk mengukur suhu permukaan komponen.
• Gunahabis
  • Garam sianida untuk nitriding mandian garam.
  • Serbuk alumina untuk nitriding katil terbendalir.
  • Minyak pemadam, penyelesaian pembersihan, perkakas, lekapan, dsb.

Peralatan yang betul adalah penting untuk mengawal suasana nitriding, suhu dan tempoh untuk mencapai kedalaman dan sifat kes yang boleh diulang.

Proses Nitriding

Langkah-langkah utama dalam proses nitriding biasa ialah:

1. Pembersihan
   1. Keluarkan kotoran, minyak, gris, oksida dan bahan cemar lain dari permukaan komponen melalui penyahgris, pembersihan alkali atau penjerukan asid.
2. Memuatkan
   1. Muatkan komponen dengan berhati-hati ke dalam lekapan atau bakul untuk mengelakkan pencemaran dan memastikan pendedahan yang betul.
3. Pemanasan dan Pegangan
   1. Panaskan pada kadar 400-800°F/jam (220-440°C/jam) untuk mencapai suhu nitriding.
   2. Tahan pada suhu nitriding untuk membolehkan bahan kerja mencapai keseimbangan terma.
4. Nitriding
   1. Dedahkan bahan kerja kepada persekitaran yang kaya dengan nitrogen pada suhu nitriding untuk masa yang diperlukan untuk mencapai kedalaman kotak.
   2. Gas ammonia retak menjadi nitrogen dan hidrogen. Plasma menghasilkan ion nitrogen. Garam sianida membebaskan nitrogen.
5. Pelindapkejutan
   1. Penyejukan pantas seperti dalam minyak untuk memelihara struktur nitrid. Tidak diperlukan untuk beberapa proses.
6. Memunggah dan Membersih
   1. Punggah bahan kerja dan keluarkan sebarang sisa daripada minyak atau garam dengan mencuci.
   2. Sapukan selepas rawatan seperti mengisar atau menggilap.

Kawalan proses yang teliti diperlukan untuk mendapatkan kedalaman kotak yang dikehendaki, meminimumkan herotan, dan memastikan pembentukan fasa nitrida.

Aplikasi Perindustrian Nitriding

Beberapa kegunaan industri biasa nitriding dalam komponen mekanikal termasuk:

Gear

Gear keluli aloi nitrided mempunyai kekerasan permukaan dan kekuatan keletihan yang lebih tinggi. Digunakan dalam gear transmisi, gear cam, gear cincin, dll.

Galas

Nitriding perlumbaan galas, elemen gelek dan permukaan galas meningkatkan rintangan haus dan ketahanan di bawah beban kitaran.

Crankshaft

Nitriding meningkatkan kekuatan keletihan fillet dan jurnal aci engkol. Digunakan dalam enjin automotif dan marin.

Pistons

Piston aluminium tuangan nitrid meningkatkan rintangan lecet dan rintangan haus pelekat terhadap dinding silinder.

Injap

Penambahbaikan haus dalam injap masuk dan ekzos enjin pembakaran dalaman dengan muka dan batang injap nitrid.

Cutting Tools

Alat pemotong keluli berkelajuan tinggi dan karbida bersalut yang dirawat dengan nitriding mempunyai kadar penyingkiran dan hayat logam yang lebih baik.

Mati dan Acuan

Acuan dan cetakan keluli alat nitrid untuk tuangan, penempaan dan pengecapan menunjukkan ketahanan dan prestasi yang dipertingkatkan.

Kegunaan Lain

Biasa dalam bekas tekanan, aci, silinder, sesondol, pengikat, penggerak dan komponen kuasa bendalir.

Peningkatan dalam kekerasan permukaan, rintangan haus, kekuatan keletihan, dan rintangan kakisan menjadikan nitriding sesuai untuk bahagian mekanikal kritikal.

Nitriding dalam Barang Kemas dan Aksesori

Walaupun kurang biasa daripada kegunaan industri, nitriding mempunyai beberapa aplikasi khusus dalam perhiasan dan aksesori fesyen:

Kemasan Permukaan yang Diperbaiki

Nitriding boleh memberikan kemasan permukaan seragam yang licin pada komponen logam perhiasan seperti cincin, gelang dan bekas jam tangan. Ini mengurangkan keperluan untuk penggilap sekunder.

Rintangan Kakisan yang Dipertingkatkan

Lapisan nitrid meningkatkan ketahanan kakisan untuk barang kemas yang terdedah kepada kelembapan seperti cincin, gelang, rantai dan tali jam tangan logam.

Salutan Hitam Hiasan

Penghitaman terpilih permukaan terukir dengan nitriding keluli tahan karat atau titanium boleh memberikan corak hiasan dan aksen pada barang kemas.

Permukaan Mengeras

Rintangan haus yang dipertingkatkan untuk barangan perhiasan kegunaan tinggi seperti cincin lelaki dan jalur jam tangan logam melalui pengerasan permukaan.

Penjimatan kos

Dalam logam tertentu, nitriding mungkin memberikan faedah prestasi berbanding penyaduran atau salutan PVD untuk kos yang lebih rendah.

Persepsi Pelanggan

Sesetengah jenama mewah menggunakan nitriding untuk faedah yang dirasakan daripada teknologi dan kemasan permukaan.

Walaupun tidak lazim seperti dalam industri pembuatan, nitriding boleh memberikan kelebihan fungsian dan estetik untuk aplikasi barang kemas terpilih. Kawalan yang betul diperlukan untuk mengekalkan rupa logam perhiasan.

Perbandingan dengan Proses Pengerasan Permukaan Lain

Nitriding berbeza daripada proses pengerasan permukaan biasa yang lain dalam beberapa cara:

Karburisasi

Carburizing meresap karbon dan bukannya nitrogen ke dalam permukaan keluli. Ia mencipta kes martensit yang lebih keras tetapi kurang stabil. Nitriding memberikan rintangan kakisan yang lebih baik.

Nitrokarburizing

Nitrokarburisasi menambah kedua-dua nitrogen dan karbon secara serentak. Sarung karbonitrida gabungan boleh menawarkan kelebihan berbanding sama ada sahaja.

Pengerasan Induksi

Pengerasan aruhan dengan cepat memanaskan dan memadamkan permukaan melalui aruhan elektromagnet. Nitriding memberikan kedalaman kes yang lebih dalam dan kurang herotan.

Pengerasan Api

Dengan pengerasan api, obor bahan api oksi memanaskan permukaan dengan cepat sebelum dipadamkan. Nitriding boleh mengeraskan geometri kompleks dengan lebih berkesan.

Pemendapan Filem Keras

Teknik pemendapan filem keras seperti PVD, CVD, dan salutan semburan haba mendepositkan salutan seramik nipis pada permukaan. Nitriding meresap nitrogen ke dalam logam substrat itu sendiri untuk lekatan yang lebih baik dan rintangan keletihan. Walau bagaimanapun, salutan boleh memberikan faedah tambahan seperti penebat atau rintangan suhu tinggi.