Čo je nitridácia?

Základ nitridácie

Nitridácia je proces tepelného spracovania, ktorý rozptýli dusík do povrchu kovu, čím sa vytvorí cementovaný povrch. Pridaný dusík zvyšuje tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu bez výrazného ovplyvnenia metalurgických vlastností jadra. Počas nitridácie sa kov zahrieva na 500-550 °C v atmosfére bohatej na dusík. Dusík difunduje do povrchu až do hĺbky 0.5 mm a reaguje s legovacími prvkami ako hliník, vanád a chróm za vzniku tvrdých nitridov. Tieto nitridy zvyšujú tvrdosť povrchu až na 1300 HV, čím zlepšujú odolnosť proti opotrebovaniu a korózii.

Účely nitridácie

Nitridácia sa používa na zlepšenie povrchových vlastností kovov na niekoľko kľúčových účelov:

Zvýšte tvrdosť povrchu

Primárnym účelom nitridácie je zvýšenie povrchovej tvrdosti kovov. Pridaný dusík reaguje s legovacími prvkami za vzniku tvrdých nitridových zlúčenín. Táto difúzna vrstva zvyšuje tvrdosť až na 1300 HV, čím sa zlepšuje odolnosť proti opotrebovaniu a nosnosť.

Zlepšite únavovú silu

Hĺbka tvrdeného puzdra vytvorená nitridovaním zlepšuje únavovú pevnosť komponentov, ako sú ozubené kolesá a hriadele. Tlakové napätia vznikajúce v nitridovanom puzdre zvyšujú odolnosť voči iniciácii a šíreniu trhliny.

Zvýšte odolnosť proti korózii

Nitridácia zlepšuje odolnosť proti korózii dvoma spôsobmi. Po prvé, nitridové zlúčeniny sú veľmi stabilné a inertné. Po druhé, hĺbka vrstvy vytvorená nitridáciou zaisťuje, že materiál jadra zostane nedotknutý, ak sa povrchová vrstva opotrebuje.

Minimálne skreslenie

Na rozdiel od metód kalenia, nitridácia nevyžaduje rýchle ochladenie dielu. Výsledkom je, že nitridácia spôsobuje veľmi malé skreslenie alebo zvyškové napätie, vďaka čomu je vhodná pre vysoko presné komponenty. Rozmerové zmeny spôsobené nitridáciou sú zanedbateľné.

Druhy nitridácie

V priemysle sa používa niekoľko hlavných metód a variácií procesu nitridácie:

• Nitridácia plynu– Pri nitridácii plynu pochádza zdroj dusíka z plynného amoniaku disociovaného na dusík a vodík. Plynný amoniak je lacnejší ako čistý dusík. Komponenty sa zahrievajú na 500-590 °C v uzavretej retorte s riadeným prietokom amoniaku.
• Plazmová nitridácia - Plazmová nitridácia využíva plazmový výboj generovaný vysokonapäťovým zdrojom na vytvorenie aktivovaných iónov dusíka. To umožňuje rýchlejšiu difúziu pri nižších teplotách 350-590°C. Plazmová nitridácia ponúka presnú kontrolu nad hĺbkou puzdra.
• Nitridácia v soľnom kúpeli - Pri nitridácii v soľnom kúpeli zdroj dusíka pochádza z disociácie kyanidových solí, ako je NaCN. Časti sú ponorené do roztaveného kyanidového soľného kúpeľa udržiavaného na 580-590 °C. Nitridáciou v soľnom kúpeli možno dosiahnuť veľmi vysokú tvrdosť až 1500 HV.
• Nitridácia vo fluidnom lôžku - Nitridácia vo fluidnom lôžku zahŕňa disociáciu plynného amoniaku v lôžku práškového oxidu hlinitého fluidizovaného prúdom plynu. Táto metóda poskytuje vynikajúcu rovnomernosť teploty počas liečby.
• Ďalšie variácie - Ďalšie variácie zahŕňajú nitrokarburizáciu, ktorá pridáva uhlík za vzniku karbonitridov, dodatočnú oxidáciu za vzniku vrstiev čierneho oxidu a nitridáciu pri nízkej teplote medzi 350-380 °C. Používajú sa aj hybridné procesy, ako je plazmová nitrokarburizácia.

Materiály vhodné na nitridáciu

Nitridáciu možno použiť na celý rad železných a neželezných zliatin:

Nízkouhlíkové ocele

Nízkolegované ocele s uhlíkom menším ako 0.25 % sa bežne nitridujú, aby sa zvýšila tvrdosť povrchu a odolnosť proti opotrebovaniu. Nízky obsah uhlíka znižuje tvorbu nestabilných nitridov železa. Populárne príklady zahŕňajú ocele 1018, 4140 a 4340.

Nástrojové ocele

Nástrojové ocele vrátane H13, P20 a D2 sú ideálne na nitridáciu vďaka ich vysokej prekaliteľnosti a obsahu zliatin. Nitridácia zvyšuje tvrdosť, pevnosť a životnosť nástrojov na prácu za tepla alebo za studena.

Nehrdzavejúce ocele

Martenzitické a precipitátne kalené nehrdzavejúce ocele ako 410, 416, 420 a 17-4PH môžu byť účinne nitridované, aby sa zlepšila odolnosť proti opotrebovaniu a korózii. Je možné dosiahnuť tvrdosť povrchu 1000-1400 HV.

Hliníkové zliatiny

Niektoré zliatiny hliníka obsahujúce kremík a horčík možno nitridovať procesom nazývaným nitrokarburizácia. Tým sa súčasne do zliatiny difunduje dusík a uhlík.

Zliatiny titánu

Zliatiny titánu vrátane Ti-6Al-4V možno nitridovať plazmovými metódami. To vytvára ochrannú povrchovú vrstvu s vysokou tvrdosťou bez ovplyvnenia ťažnosti jadra a lomovej húževnatosti.

Iné zliatiny

Iné materiály, ako sú superzliatiny na báze niklu, nástrojové ocele a zliatiny kobaltu, môžu byť tiež nitridované. Profitovať môžu železné aj neželezné zliatiny s dostatočnými legovacími prísadami na stabilizáciu nitridov.

Zariadenia a spotrebný materiál pre nitridáciu

Procesy nitridácie využívajú špecializované pece, dodávky plynu a zariadenia na monitorovanie teploty:

• Nitridačné pece
  • Skriňové alebo skriňové pece s plynotesnými retortami a izoláciou pre plynovú a plazmovú nitridáciu do 1000°F (590°C).
  • Pece s roztaveným soľným kúpeľom na nitridáciu soľným kúpeľom okolo 1100 °F (590 °C).
  • Pece s fluidným lôžkom obsahujúce porézne keramické médiá na nitridáciu vo fluidnom lôžku.
• Plynný dusík
  • Plynný dusík vysokej čistoty ako zdroj nitridácie plynu.
  • Plynný amoniak, ktorý sa pri nitridácii plynu disociuje na dusík a vodík.
• Napájacie zdroje
  • Napájanie jednosmerným prúdom až do 1000 V a menovitým prúdom nad 10,000 XNUMX ampérov pre plazmovú nitridáciu.
• Monitorovanie teploty
  • Termočlánky na monitorovanie rovnomernosti teploty pece.
  • Pyrometre na meranie povrchovej teploty komponentov.
• Spotrebný materiál
  • Kyanidové soli na nitridáciu soľného kúpeľa.
  • Prášok oxidu hlinitého na nitridáciu vo fluidnom lôžku.
  • Uhasiť olej, čistiace roztoky, náradie, príslušenstvo atď.

Správne vybavenie je nevyhnutné na kontrolu nitridačnej atmosféry, teploty a trvania, aby sa dosiahla opakovateľná hĺbka a vlastnosti puzdra.

Proces nitridácie

Kľúčové kroky v typickom procese nitridácie sú:

1. čistenie
   1. Odstráňte nečistoty, olej, mastnotu, oxidy a iné nečistoty z povrchu komponentov odmasťovaním, alkalickým čistením alebo morením kyselinou.
2. Nakladanie
   1. Opatrne vkladajte komponenty do prípravkov alebo košov, aby ste zabránili kontaminácii a zabezpečili správnu expozíciu.
3. Vykurovanie a udržiavanie
   1. Zahrievajte rýchlosťou 400-800 °F/h (220-440 °C/h), aby ste dosiahli nitridačnú teplotu.
   2. Udržujte pri nitridačnej teplote, aby ste umožnili obrobkom dosiahnuť tepelnú rovnováhu.
4. nitridovanie
   1. Vystavte obrobky prostrediu bohatému na dusík pri nitridačnej teplote na požadovaný čas, aby sa dosiahla hĺbka puzdra.
   2. Plynný amoniak sa rozkladá na dusík a vodík. Plazma vytvára ióny dusíka. Kyanidové soli uvoľňujú dusík.
5. kalenie
   1. Rýchle chladenie, napríklad v oleji, aby sa zachovala nitridovaná štruktúra. Pre niektoré procesy sa nevyžaduje.
6. Vykladanie a čistenie
   1. Vyložte obrobky a umytím odstráňte všetky zvyšky z chladiaceho oleja alebo solí.
   2. Aplikujte dodatočnú úpravu, ako je brúsenie alebo leštenie.

Na získanie požadovanej hĺbky puzdra, minimalizáciu skreslenia a zabezpečenie tvorby nitridovej fázy je potrebná starostlivá kontrola procesu.

Priemyselné aplikácie nitridácie

Niektoré bežné priemyselné použitia nitridácie v mechanických komponentoch zahŕňajú:

Gears

Ozubené kolesá z nitridovanej legovanej ocele majú vyššiu povrchovú tvrdosť a únavovú pevnosť. Používa sa v prevodovkách, vačkových prevodoch, ozubených kolieskach atď.

Ložisko

Nitridácia ložísk, valivých telies a povrchov ložísk zlepšuje odolnosť proti opotrebovaniu a životnosť pri cyklickom zaťažení.

kľukový hriadeľ

Nitridácia zvyšuje únavovú pevnosť filiet a čapov kľukového hriadeľa. Používa sa v automobilových a lodných motoroch.

Piesty

Nitridované hliníkové piesty zvyšujú odolnosť proti odieraniu a adhéznu odolnosť voči opotrebeniu stien valca.

Ventily

Zlepšené opotrebovanie sacích a výfukových ventilov spaľovacích motorov s nitridovanými čelami a driekami ventilov.

Rezacie nástroje

Rezné nástroje z rýchloreznej ocele a karbidu s povlakom ošetrené nitridáciou majú lepšiu rýchlosť úberu kovu a vyššiu životnosť.

Diely a formy

Formy a matrice z nitridovanej nástrojovej ocele na odlievanie, kovanie a razenie vykazujú zvýšenú odolnosť a výkon.

Iné použitie

Bežné v tlakových nádobách, hriadeľoch, valcoch, vačkách, upevňovacích prvkoch, pohonoch a komponentoch na pohon tekutín.

Zvýšenie tvrdosti povrchu, odolnosti proti opotrebeniu, únavovej pevnosti a odolnosti proti korózii robí nitridáciu ideálnou pre kritické mechanické časti.

Nitridácia v šperkoch a doplnkoch

Aj keď je nitridovanie menej bežné ako priemyselné využitie, má niektoré špeciálne aplikácie v šperkoch a módnych doplnkoch:

Vylepšená povrchová úprava

Nitridácia môže poskytnúť hladkú jednotnú povrchovú úpravu šperkových kovových komponentov, ako sú prstene, náramky a púzdra hodiniek. Tým sa znižuje potreba sekundárneho leštenia.

Zvýšená odolnosť proti korózii

Nitridovaná vrstva zlepšuje odolnosť voči korózii šperkov vystavených vlhkosti, ako sú prstene, náramky, retiazky a kovové remienky hodiniek.

Dekoratívne čierne nátery

Selektívne černenie leptaných povrchov nitridovaním nehrdzavejúcej ocele alebo titánu môže poskytnúť ozdobné vzory a akcenty na šperkoch.

Tvrdené povrchy

Vylepšená odolnosť voči opotrebovaniu pri vysoko používaných šperkoch, ako sú pánske prstene a kovové remienky na hodinky, vďaka povrchovému tvrdeniu.

Úspora nákladov

V niektorých kovoch môže nitridácia poskytnúť výkonnostné výhody oproti pokovovaniu alebo PVD povlakom za nižšie náklady.

Vnímanie zákazníka

Niektoré luxusné značky používajú nitridáciu pre vnímané výhody technológie a povrchovej úpravy.

Hoci nitridácia nie je taká rozšírená ako vo výrobnom priemysle, môže poskytnúť funkčné a estetické výhody pre vybrané klenotnícke aplikácie. Na udržanie vzhľadu šperkových kovov je potrebná správna kontrola.

Porovnanie s inými procesmi povrchového kalenia

Nitridácia sa líši od iných bežných procesov povrchového kalenia niekoľkými spôsobmi:

cementácia

Nauhličovaním sa do povrchu ocele rozptýli skôr uhlík ako dusík. Vytvára tvrdšie, ale menej stabilné martenzitické puzdro. Nitridácia poskytuje lepšiu odolnosť proti korózii.

Nitrokarburizácia

Nitrokarburizácia pridáva súčasne dusík aj uhlík. Kombinované karbonitridové puzdro môže ponúkať výhody oproti jednému samotnému.

Indukčné tvrdnutie

Indukčné kalenie rýchlo ohrieva a kalí povrch prostredníctvom elektromagnetickej indukcie. Nitridácia poskytuje hlbšiu hĺbku puzdra a menšie skreslenie.

Vytvrdzovanie plameňom

Pri vytvrdzovaní plameňom kyslíkovo-palivové horáky rýchlo zahrejú povrch pred ochladením. Nitridácia môže efektívnejšie vytvrdzovať zložité geometrie.

Depozícia tvrdého filmu

Techniky nanášania tvrdého filmu, ako sú PVD, CVD a tepelne striekané povlaky, nanášajú na povrch tenký keramický povlak. Nitridácia rozptýli dusík do samotného kovu substrátu pre lepšiu priľnavosť a odolnosť proti únave. Nátery však môžu poskytnúť ďalšie výhody, ako je izolácia alebo odolnosť voči vysokej teplote.