Ce este nitrurarea?

Baza nitrurării

Nitrurarea este un proces de tratare termică care difuzează azotul în suprafața unui metal pentru a crea o suprafață întărită. Azotul adăugat crește duritatea și rezistența la uzură fără a afecta semnificativ proprietățile metalurgice ale miezului. În timpul nitrurării, metalul este încălzit la 500-550°C într-o atmosferă bogată în azot. Azotul difuzează în suprafață până la 0.5 mm adâncime și reacționează cu elemente de aliere precum aluminiul, vanadiul și cromul pentru a forma nitruri dure. Aceste nitruri măresc duritatea suprafeței până la 1300 HV, îmbunătățind rezistența la uzură și la coroziune.

Scopurile nitrurării

Nitrurarea este utilizată pentru a îmbunătăți proprietățile de suprafață ale metalelor în mai multe scopuri cheie:

Creșteți duritatea suprafeței

Scopul principal al nitrurării este de a crește duritatea suprafeței metalelor. Azotul adăugat reacționează cu elementele de aliere pentru a forma compuși cu nitrură tare. Acest strat de difuzie crește duritatea până la 1300 HV, ceea ce îmbunătățește rezistența la uzură și capacitatea de încărcare.

Îmbunătățiți rezistența la oboseală

Adâncimea carcasei întărite creată de nitrurare îmbunătățește rezistența la oboseală a componentelor precum angrenajele și arborii. Tensiunile de compresiune formate în carcasa nitrurata cresc rezistența la inițierea și propagarea fisurilor.

Îmbunătățiți rezistența la coroziune

Nitrurarea îmbunătățește rezistența la coroziune în două moduri. În primul rând, compușii de nitrură sunt foarte stabili și inerți. În al doilea rând, adâncimea stratului creată prin nitrurare asigură că materialul miezului rămâne neafectat dacă stratul de suprafață este uzat.

Distorsiune minimă

Spre deosebire de metodele de întărire prin călire, nitrurarea nu necesită răcirea rapidă a piesei. Ca urmare, nitrurarea cauzează foarte puțină distorsiune sau stres rezidual, făcându-l potrivit pentru componente de înaltă precizie. Modificările dimensionale cauzate de nitrurare sunt neglijabile.

Tipuri de nitrurare

Există mai multe metode și variații principale ale procesului de nitrurare utilizate în industrie:

• Nitrurarea gazelor– În nitrurarea gazoasă, sursa de azot provine din amoniacul gazos disociat în azot și hidrogen. Gazul de amoniac este mai puțin costisitor decât gazul de azot pur. Componentele sunt încălzite la 500-590°C într-o retortă sigilată cu flux controlat de amoniac.
• Nitrurare cu plasma - Nitrurarea cu plasmă folosește descărcarea de plasmă generată de o sursă de înaltă tensiune pentru a crea ioni de azot activați. Aceasta permite o difuzie mai rapidă la temperaturi mai scăzute de 350-590°C. Nitrurarea cu plasmă oferă un control precis asupra adâncimii carcasei.
• Nitrurarea în baie de sare- În nitrurarea în baie de sare, sursa de azot provine din disocierea sărurilor de cianuri precum NaCN. Părțile sunt scufundate în baia de sare de cianură topită menținută la 580-590°C. Nitrurarea în baie de sare poate atinge o duritate foarte mare a carcasei de până la 1500 HV.
• Nitrurare în pat fluidizat- Nitrurarea în pat fluidizat implică disocierea gazului de amoniac într-un pat de pulbere de alumină fluidizată prin fluxul de gaz. Această metodă oferă o uniformitate excelentă a temperaturii în timpul tratamentului.
• Alte variante- Alte variații includ nitrocarburarea care adaugă carbon pentru a forma carbonitruri, post-oxidarea pentru a forma straturi de oxid negru și nitrurarea la temperatură joasă între 350-380°C. De asemenea, sunt utilizate procese hibride precum nitrocarburarea cu plasmă.

Materiale potrivite pentru nitrurare

Nitrurarea poate fi aplicată unei game de aliaje feroase și neferoase:

Oțeluri cu conținut scăzut de carbon

Oțelurile slab aliate cu carbon mai mic de 0.25% sunt de obicei nitrurate pentru a crește duritatea suprafeței și rezistența la uzură. Conținutul scăzut de carbon reduce formarea de nitruri instabile de fier. Exemplele populare includ oțelurile 1018, 4140 și 4340.

Oteluri pentru scule

Oțelurile pentru scule, inclusiv H13, P20 și D2, sunt ideale pentru nitrurare datorită călibilității ridicate și conținutului de aliaj. Nitrurarea crește duritatea, rezistența și durata de viață a sculelor pentru aplicații de lucru la cald sau la rece.

Otel inoxidabil

Oțelurile inoxidabile martensitice și care întăresc prin precipitare precum 410, 416, 420 și 17-4PH pot fi nitrurate eficient pentru a îmbunătăți rezistența la uzură și la coroziune. Se poate obține o duritate a suprafeței de 1000-1400 HV.

Aliaje de aluminiu

Anumite aliaje de aluminiu care conțin siliciu și magneziu pot fi nitrurate printr-un proces numit nitrocarburare. Aceasta difuzează azotul și carbonul simultan în aliaj.

Aliaje de titan

Aliajele de titan, inclusiv Ti-6Al-4V, pot fi nitrurate prin metode cu plasmă. Acest lucru creează un strat de suprafață de protecție cu duritate ridicată, fără a afecta ductilitatea miezului și duritatea la rupere.

Alte aliaje

Alte materiale precum superaliaje pe bază de nichel, oțeluri pentru scule și aliaje de cobalt pot fi, de asemenea, nitrurate. Pot beneficia atât aliajele feroase, cât și cele neferoase, cu adaosuri suficiente de aliere pentru a stabiliza nitrururile.

Echipamente si consumabile pentru nitrurare

Procesele de nitrurare utilizează cuptoare specializate, surse de gaz și echipamente de monitorizare a temperaturii:

• Cuptoare de nitrurare
  • Cuptoare tip cutie sau dulap cu retorte etanșe la gaz și izolație pentru nitrurarea cu gaz și plasmă până la 1000°F (590°C).
  • Cuptoare cu baie de sare topită pentru nitrurarea în baie de sare în jur de 1100°F (590°C).
  • Cuptoare cu pat fluidizat care conțin medii ceramice poroase pentru nitrurarea în pat fluidizat.
• Azot gazos
  • Azot gazos de înaltă puritate ca sursă pentru nitrurarea gazului.
  • Amoniac gazos care se disociază în azot și hidrogen pentru nitrurarea gazoasă.
• Surse de alimentare
  • Surse de curent continuu de până la 1000 V și curent nominal de peste 10,000 de amperi pentru nitrurarea cu plasmă.
• Monitorizarea temperaturii
  • Termocupluri pentru a monitoriza uniformitatea temperaturii cuptorului.
  • Pirometre pentru măsurarea temperaturii suprafeței componentelor.
• Consumabile
  • Săruri cu cianuri pentru nitrurarea în baie de sare.
  • Pulbere de alumină pentru nitrurarea în pat fluidizat.
  • Ulei de stingere, soluții de curățare, scule, accesorii etc.

Echipamentul adecvat este esențial pentru controlul atmosferei de nitrurare, a temperaturii și a duratei pentru a obține o adâncime și proprietăți repetabile ale carcasei.

Procesul de nitrurare

Etapele cheie într-un proces tipic de nitrurare sunt:

1. Curățenie
   1. Îndepărtați murdăria, uleiul, grăsimea, oxizii și alți contaminanți de pe suprafața componentei prin degresare, curățare alcalină sau decapare cu acid.
2. încărcare
   1. Încărcați componentele cu grijă în corpuri de fixare sau coșuri pentru a evita contaminarea și pentru a asigura o expunere adecvată.
3. Încălzire și menținere
   1. Se încălzește la o viteză de 400-800°F/h (220-440°C/h) pentru a atinge temperatura de nitrurare.
   2. Țineți la temperatura de nitrurare pentru a permite pieselor de prelucrat să atingă echilibrul termic.
4. Nitruri
   1. Expuneți piesele la un mediu bogat în azot la temperatura de nitrurare pentru timpul necesar pentru a atinge adâncimea carcasei.
   2. Gazul de amoniac se sparge în azot și hidrogen. Plasma generează ioni de azot. Sărurile cu cianuri eliberează azot.
5. Stingerea
   1. Răcire rapidă, cum ar fi în ulei, pentru a păstra structura nitrurata. Nu este necesar pentru unele procese.
6. Descărcare și curățare
   1. Descărcați piesele de prelucrat și îndepărtați orice reziduuri din uleiul de stingere sau sărurile prin spălare.
   2. Aplicați post-tratament, cum ar fi șlefuirea sau lustruirea.

Este necesar un control atent al procesului pentru a obține adâncimea dorită a carcasei, pentru a minimiza distorsiunile și pentru a asigura formarea fazei de nitrură.

Aplicații industriale ale nitrurării

Unele utilizări industriale comune ale nitrurării în componentele mecanice includ:

Gears

Angrenajele din oțel aliat nitrurat au duritate la suprafață și rezistență la oboseală mai mari. Folosit în angrenaje de transmisie, angrenaje cu came, angrenaje inelare etc.

Rulmenți

Nitrurarea pistelor de rulare, a elementelor de rulare și a suprafețelor de rulment îmbunătățește rezistența la uzură și durabilitatea în condiții de încărcare ciclică.

cotiți

Nitrurarea mărește rezistența la oboseală a fileturilor și jurnalelor arborelui cotit. Folosit la motoare auto și marine.

Pistoane

Pistoanele din aluminiu turnat nitrurat măresc rezistența la uzură și rezistența la uzura adezivului față de pereții cilindrului.

supape

Uzură îmbunătățită a supapelor de admisie și evacuare ale motoarelor cu ardere internă cu fețe și tije nitrurate ale supapelor.

Unelte de tăiere

Uneltele de tăiere din oțel de mare viteză acoperite și carbură tratate cu nitrurare au viteze de îndepărtare a metalului și o durată de viață mai bune.

matrițe și matrițe

Formele și matrițele din oțel de scule nitrurate pentru turnare, forjare și ștanțare arată durabilitate și performanță îmbunătățite.

Alte utilizări

Frecvent în vasele sub presiune, arbori, cilindri, came, elemente de fixare, dispozitive de acționare și componente de putere fluidă.

Creșterea durității suprafeței, rezistența la uzură, rezistența la oboseală și rezistența la coroziune fac nitrurarea ideală pentru piesele mecanice critice.

Nitrurarea în bijuterii și accesorii

Deși mai puțin obișnuită decât utilizările industriale, nitrurarea are câteva aplicații de nișă în bijuterii și accesorii de modă:

Îmbunătățirea finisării suprafeței

Nitrurarea poate oferi un finisaj neted și uniform al suprafeței componentelor metalice de bijuterii, cum ar fi inele, brățări și carcase pentru ceasuri. Acest lucru reduce nevoia de lustruire secundară.

Rezistență sporită la coroziune

Stratul nitrurat îmbunătățește rezistența la coroziune pentru piesele de bijuterii expuse la umezeală, cum ar fi inele, brățări, lanțuri și curele metalice de ceas.

Acoperiri decorative negre

Înnegrirea selectivă a suprafețelor gravate prin nitrurarea oțelului inoxidabil sau a titanului poate oferi modele decorative și accente pe bijuterii.

Suprafețe întărite

Rezistență îmbunătățită la uzură pentru bijuterii de mare utilizare, cum ar fi inelele pentru bărbați și curelele metalice de ceas prin întărirea suprafeței.

Economii

În anumite metale, nitrurarea poate oferi beneficii de performanță față de placare sau acoperiri PVD pentru un cost mai mic.

Percepția clientului

Unele mărci de lux folosesc nitrurarea pentru beneficiile percepute ale tehnologiei și finisajului suprafeței.

Deși nu este la fel de răspândită ca în industriile de producție, nitrurarea poate oferi avantaje funcționale și estetice pentru aplicații selectate de bijuterii. Este necesar un control adecvat pentru a menține aspectul metalelor de bijuterii.

Comparație cu alte procese de întărire la suprafață

Nitrurarea diferă de alte procese comune de întărire a suprafeței în mai multe moduri:

Carburant

Carburarea difuzează mai degrabă carbonul decât azotul în suprafața oțelului. Creează un caz martensitic mai dur, dar mai puțin stabil. Nitrurarea oferă o rezistență mai bună la coroziune.

Nitrocarburarea

Nitrocarburarea adaugă atât azot, cât și carbon simultan. Carcasa de carbonitrură combinată poate oferi avantaje față de oricare dintre ele singure.

Inductor de calire

Întărirea prin inducție încălzește și stinge rapid suprafața prin inducție electromagnetică. Nitrurarea oferă o adâncime mai profundă a carcasei și mai puțină distorsiune.

Întărirea la flacără

Odată cu întărirea la flacără, torțele cu oxicombustibil încălzesc rapid suprafața înainte de stingere. Nitrurarea poate întări geometriile complexe mai eficient.

Depunerea filmului dur

Tehnicile de depunere a filmului dur, cum ar fi PVD, CVD și acoperirile pulverizate termic, depun un strat ceramic subțire pe suprafață. Nitrurarea difuzează azotul în metalul substratului în sine pentru o mai bună aderență și rezistență la oboseală. Cu toate acestea, acoperirile pot oferi beneficii suplimentare, cum ar fi izolarea sau rezistența la temperaturi ridicate.