Wat is nitreren?

Basis van Nitreren

Nitreren is een warmtebehandelingsproces dat stikstof in het oppervlak van een metaal diffundeert om een ​​gehard oppervlak te creëren. De toegevoegde stikstof verhoogt de hardheid en slijtvastheid zonder significante invloed op de metallurgische eigenschappen van de kern. Tijdens het nitreren wordt het metaal verhit tot 500-550°C in een stikstofrijke atmosfeer. Stikstof diffundeert tot 0.5 mm diep in het oppervlak en reageert met legeringselementen zoals aluminium, vanadium en chroom om harde nitriden te vormen. Deze nitriden verhogen de oppervlaktehardheid tot 1300 HV, wat de slijtage- en corrosieweerstand verbetert.

Doeleinden van nitreren

Nitreren wordt gebruikt om de oppervlakte-eigenschappen van metalen te verbeteren voor verschillende belangrijke doeleinden:

Verhoog de oppervlaktehardheid

Het primaire doel van nitreren is het verhogen van de oppervlaktehardheid van metalen. De toegevoegde stikstof reageert met legeringselementen om harde nitrideverbindingen te vormen. Deze diffusielaag verhoogt de hardheid tot 1300 HV, wat de slijtvastheid en het draagvermogen verbetert.

Verbeter vermoeidheidssterkte

De diepte van de geharde behuizing die wordt gecreëerd door nitreren, verbetert de vermoeiingssterkte van componenten zoals tandwielen en assen. De drukspanningen die in de genitreerde behuizing worden gevormd, verhogen de weerstand tegen het ontstaan ​​en de voortplanting van scheuren.

Corrosieweerstand verbeteren

Nitreren verbetert de corrosieweerstand op twee manieren. Ten eerste zijn de nitrideverbindingen zeer stabiel en inert. Ten tweede zorgt de door nitreren gecreëerde laagdiepte ervoor dat het kernmateriaal onaangetast blijft als de oppervlaktelaag wegslijt.

Minimale vervorming

In tegenstelling tot methoden voor harden door afschrikken, vereist nitreren het onderdeel niet snel af te koelen. Als gevolg hiervan veroorzaakt nitreren zeer weinig vervorming of restspanning, waardoor het geschikt is voor zeer nauwkeurige componenten. De door nitreren veroorzaakte maatveranderingen zijn verwaarloosbaar.

Soorten Nitreren

Er zijn verschillende hoofdmethoden en variaties van het nitreerproces dat in de industrie wordt gebruikt:

• Gas nitreren- Bij gasnitreren is de stikstofbron afkomstig van ammoniakgas dat is gedissocieerd in stikstof en waterstof. Het ammoniakgas is goedkoper dan zuiver stikstofgas. Componenten worden verwarmd tot 500-590°C in een afgesloten retort met gecontroleerde ammoniakstroom.
• Plasma Nitreren- Plasmanitreren maakt gebruik van plasmaontlading die wordt gegenereerd door een hoogspanningsvoeding om geactiveerde stikstofionen te creëren. Dit maakt een snellere diffusie mogelijk bij lagere temperaturen van 350-590°C. Plasmanitreren biedt nauwkeurige controle over de diepte van de behuizing.
• Zoutbad Nitreren- Bij zoutbadnitreren is de stikstofbron afkomstig van de dissociatie van cyanidezouten zoals NaCN. Onderdelen worden ondergedompeld in het gesmolten cyanidezoutbad dat op 580-590°C wordt gehouden. Zoutbadnitreren kan een zeer hoge hardheid tot 1500 HV bereiken.
• Wervelbednitreren- Nitreren met een gefluïdiseerd bed omvat de dissociatie van ammoniakgas in een bed van aluminiumoxidepoeder dat door een gasstroom wordt gefluïdiseerd. Deze methode zorgt voor een uitstekende temperatuuruniformiteit tijdens de behandeling.
• andere variaties- Andere variaties zijn onder meer nitrocarbureren, waarbij koolstof wordt toegevoegd om carbonitrides te vormen, na-oxidatie om zwarte oxidelagen te vormen, en nitreren bij lage temperatuur tussen 350-380°C. Hybride processen zoals nitrocarboneren met plasma worden ook gebruikt.

Materialen geschikt voor nitreren

Nitreren kan worden toegepast op een reeks ferro- en non-ferrolegeringen:

Koolstofarme staalsoorten

Laaggelegeerde staalsoorten met minder dan 0.25% koolstof worden gewoonlijk genitreerd om de oppervlaktehardheid en slijtvastheid te vergroten. Het lage koolstofgehalte vermindert de vorming van instabiele ijzernitriden. Populaire voorbeelden zijn 1018, 4140 en 4340 staalsoorten.

Gereedschapsstaal

Gereedschapsstaal waaronder H13, P20 en D2 zijn ideaal voor nitreren vanwege hun hoge hardbaarheid en legeringsgehalte. Nitreren verhoogt de hardheid, sterkte en levensduur van gereedschappen voor warme of koude werktoepassingen.

Roestvrij staal

Martensitische en neerslaghardende roestvaste staalsoorten zoals 410, 416, 420 en 17-4PH kunnen effectief worden genitreerd om de slijtage- en corrosieweerstand te verbeteren. Een oppervlaktehardheid van 1000-1400 HV kan worden bereikt.

Aluminiumlegeringen

Bepaalde aluminiumlegeringen die silicium en magnesium bevatten, kunnen worden genitreerd via een proces dat nitrocarboneren wordt genoemd. Dit diffundeert tegelijkertijd stikstof en koolstof in de legering.

Titanium legeringen

Titaanlegeringen, waaronder Ti-6Al-4V, kunnen worden genitreerd via plasmamethoden. Dit creëert een beschermende oppervlaktelaag met een hoge hardheid zonder de ductiliteit en breuktaaiheid van de kern aan te tasten.

Andere legeringen

Andere materialen zoals op nikkel gebaseerde superlegeringen, gereedschapsstaal en kobaltlegeringen kunnen ook worden genitreerd. Zowel ferro- als non-ferrolegeringen met voldoende legeringstoevoegingen om nitriden te stabiliseren kunnen hiervan profiteren.

Apparatuur en verbruiksartikelen voor nitreren

Nitreringsprocessen maken gebruik van gespecialiseerde ovens, gastoevoer en temperatuurbewakingsapparatuur:

• Nitrerende ovens
  • Ovens in kast- of kaststijl met gasdichte retorten en isolatie voor gas- en plasmanitreren tot 1000°F (590°C).
  • Gesmolten zoutbadovens voor zoutbadnitreren rond 1100°F (590°C).
  • Wervelbedovens met poreuze keramische media voor wervelbednitreren.
• Stikstofgas
  • Hoogzuiver stikstofgas als bron voor gasnitreren.
  • Ammoniakgas dat dissocieert in stikstof en waterstof voor gasnitrering.
• Voedingen
  • DC-voedingen tot 1000V en een stroomsterkte van meer dan 10,000 ampère voor plasmanitreren.
• Temperatuur Monitoring
  • Thermokoppels om de uniformiteit van de oventemperatuur te bewaken.
  • Pyrometers om de oppervlaktetemperatuur van componenten te meten.
• Verbruiksmaterialen
  • Cyanidezouten voor zoutbadnitreren.
  • Aluminiumoxidepoeder voor wervelbednitreren.
  • Doof olie, reinigingsoplossingen, gereedschappen, armaturen, enz.

De juiste apparatuur is essentieel voor het beheersen van de nitreeratmosfeer, temperatuur en duur om herhaalbare behuizingsdiepte en eigenschappen te bereiken.

Nitreren Proces

De belangrijkste stappen in een typisch nitreerproces zijn:

1. Reiniging
   1. Verwijder vuil, olie, vet, oxiden en andere verontreinigingen van het oppervlak van de component door middel van ontvetten, alkalische reiniging of beitsen met zuur.
2. het laden
   1. Laad componenten voorzichtig in armaturen of manden om verontreiniging te voorkomen en zorg voor een goede blootstelling.
3. Verwarming en vasthouden
   1. Verwarm met een snelheid van 400-800°F/uur (220-440°C/uur) om de nitreertemperatuur te bereiken.
   2. Houd op nitreertemperatuur om de werkstukken thermisch evenwicht te laten bereiken.
4. Nitreren
   1. Stel werkstukken bloot aan een stikstofrijke omgeving bij nitreertemperatuur gedurende de vereiste tijd om de diepte van de behuizing te bereiken.
   2. Ammoniakgas barst in stikstof en waterstof. Plasma genereert stikstofionen. Cyanidezouten geven stikstof vrij.
5. Afschrikken
   1. Snelle afkoeling zoals in olie om de genitreerde structuur te behouden. Niet vereist voor sommige processen.
6. Uitladen en schoonmaken
   1. Maak werkstukken leeg en verwijder eventuele resten van blusolie of zouten door ze te wassen.
   2. Pas een nabehandeling toe zoals slijpen of polijsten.

Zorgvuldige procescontrole is nodig om de gewenste kastdiepte te verkrijgen, vervorming te minimaliseren en nitridefasevorming te waarborgen.

Industriële toepassingen van nitreren

Enkele veel voorkomende industriële toepassingen van nitreren in mechanische componenten zijn:

Gears

Tandwielen van genitreerd gelegeerd staal hebben een hogere oppervlaktehardheid en vermoeiingssterkte. Gebruikt in transmissietandwielen, nokkenwielen, ringtandwielen, enz.

Lagers

Nitreren van lagerringen, rolelementen en lageroppervlakken verbetert de slijtvastheid en duurzaamheid onder cyclische belasting.

krukassen

Nitreren verhoogt de vermoeiingssterkte van krukasfilets en astappen. Gebruikt in auto- en scheepsmotoren.

Zuigers

Nitrided gegoten aluminium zuigers verhogen de slijtvastheid en adhesieve slijtvastheid tegen cilinderwanden.

Kleppen

Verbeterde slijtage van inlaat- en uitlaatkleppen van verbrandingsmotoren met genitreerde klepvlakken en stelen.

Snijgereedschappen

Snijgereedschappen van gecoat snelstaal en hardmetaal die zijn behandeld met nitreren, hebben een betere verspaningscapaciteit en een langere levensduur.

Matrijzen en mallen

Mallen en matrijzen van genitreerd gereedschapsstaal voor gieten, smeden en stampen vertonen verbeterde duurzaamheid en prestaties.

Andere gebruiken

Gebruikelijk in drukvaten, assen, cilinders, nokken, bevestigingsmiddelen, actuatoren en componenten voor vloeistofvoeding.

De toename in oppervlaktehardheid, slijtvastheid, vermoeiingssterkte en corrosieweerstand maken nitreren ideaal voor kritische mechanische onderdelen.

Nitreren in sieraden en accessoires

Hoewel nitreren minder gebruikelijk is dan industrieel gebruik, heeft het enkele nichetoepassingen in sieraden en modeaccessoires:

Verbeterde oppervlakteafwerking

Nitreren kan zorgen voor een gladde, gelijkmatige oppervlakteafwerking op metalen onderdelen van sieraden, zoals ringen, armbanden en horlogekasten. Dit vermindert de noodzaak van secundair polijsten.

Verbeterde corrosieweerstand

De genitreerde laag verbetert de corrosieweerstand van sieraden die worden blootgesteld aan vocht, zoals ringen, armbanden, kettingen en metalen horlogebandjes.

Decoratieve zwarte coatings

Selectief zwart maken van geëtste oppervlakken door het nitreren van roestvrij staal of titanium kan decoratieve patronen en accenten op sieraden geven.

Verharde oppervlakken

Verbeterde slijtvastheid voor veelgebruikte sieraden zoals herenringen en metalen horlogebandjes door oppervlakteverharding.

Kostenbesparingen

Bij bepaalde metalen kan nitreren prestatievoordelen bieden ten opzichte van plateren of PVD-coatings tegen lagere kosten.

Klantbeleving

Sommige luxemerken gebruiken nitreren vanwege de waargenomen voordelen van de technologie en oppervlakteafwerking.

Hoewel nitreren niet zo gangbaar is als in de verwerkende industrie, kan het functionele en esthetische voordelen bieden voor geselecteerde sieradentoepassingen. Een goede controle is nodig om het uiterlijk van sieradenmetalen te behouden.

Vergelijking met andere oppervlakteverhardingsprocessen

Nitreren verschilt op verschillende manieren van andere gebruikelijke oppervlakteverhardingsprocessen:

Carbureren

Door carbonering wordt koolstof in plaats van stikstof in het staaloppervlak verspreid. Het creëert een hardere maar minder stabiele martensitische behuizing. Nitreren zorgt voor een betere corrosieweerstand.

Nitrocarboneren

Nitrocarboneren voegt tegelijkertijd zowel stikstof als koolstof toe. De gecombineerde carbonitridebehuizing kan voordelen bieden ten opzichte van beide afzonderlijk.

Inductieharden

Inductieverharding verwarmt en dooft het oppervlak snel door middel van elektromagnetische inductie. Nitreren zorgt voor een diepere behuizingsdiepte en minder vervorming.

Vlamverharding

Met vlamverharding verwarmen autogeenbranders het oppervlak snel voordat ze worden geblust. Nitreren kan complexe geometrieën effectiever verharden.

Afzetting van harde film

Harde filmafzettingstechnieken zoals PVD, CVD en thermisch gespoten coatings brengen een dunne keramische coating op het oppervlak aan. Nitreren diffundeert stikstof in het substraatmetaal zelf voor een betere hechting en weerstand tegen vermoeidheid. Coatings kunnen echter extra voordelen bieden, zoals isolatie of hoge temperatuurbestendigheid.