Kaj je nitriranje?

Osnova nitriranja

Nitriranje je postopek toplotne obdelave, pri katerem se dušik razprši na površino kovine, da se ustvari utrjena površina. Dodan dušik poveča trdoto in odpornost proti obrabi brez pomembnega vpliva na metalurške lastnosti jedra. Med nitriranjem se kovina segreje na 500-550 °C v atmosferi, bogati z dušikom. Dušik difundira v površino do 0.5 mm globoko in reagira z legirnimi elementi, kot so aluminij, vanadij in krom, da tvori trde nitride. Ti nitridi povečajo trdoto površine do 1300 HV, izboljšajo odpornost proti obrabi in koroziji.

Nameni nitriranja

Nitriranje se uporablja za izboljšanje površinskih lastnosti kovin za več ključnih namenov:

Povečajte trdoto površine

Glavni namen nitriranja je povečati površinsko trdoto kovin. Dodani dušik reagira z legirnimi elementi in tvori trde nitridne spojine. Ta difuzijski sloj poveča trdoto do 1300 HV, kar izboljša odpornost proti obrabi in nosilnost.

Izboljšajte moč utrujenosti

Utrjena globina ohišja, ustvarjena z nitriranjem, izboljša odpornost proti utrujenosti komponent, kot so zobniki in gredi. Tlačne napetosti, ki nastanejo v nitriranem ohišju, povečajo odpornost proti nastanku in širjenju razpok.

Povečajte odpornost proti koroziji

Nitriranje izboljša odpornost proti koroziji na dva načina. Prvič, nitridne spojine so zelo stabilne in inertne. Drugič, globina plasti, ustvarjena z nitriranjem, zagotavlja, da material jedra ostane nespremenjen, če se površinska plast obrabi.

Minimalno popačenje

Za razliko od metod utrjevanja s kaljenjem, nitriranje ne zahteva hitrega hlajenja dela. Posledično nitriranje povzroči zelo malo popačenja ali preostale napetosti, zaradi česar je primerno za visoko natančne komponente. Spremembe dimenzij zaradi nitriranja so zanemarljive.

Vrste nitriranja

Obstaja več glavnih metod in različic postopka nitriranja, ki se uporabljajo v industriji:

• Plinsko nitriranje– Pri plinskem nitriranju je vir dušika plin amoniak, disociiran na dušik in vodik. Plin amoniak je cenejši od čistega dušika. Komponente se segrejejo na 500-590°C v zaprti retorti z nadzorovanim pretokom amoniaka.
• Plazemsko nitriranje- Plazemsko nitriranje uporablja razelektritev plazme, ki jo ustvari visokonapetostno napajanje, za ustvarjanje aktiviranih dušikovih ionov. To omogoča hitrejšo difuzijo pri nižjih temperaturah 350-590°C. Plazemsko nitriranje omogoča natančen nadzor nad globino ohišja.
• Nitriranje solne kopeli - Pri nitriranju v solni kopeli izvira dušik iz disociacije cianidnih soli, kot je NaCN. Deli so potopljeni v staljeno cianidno solno kopel, ki se vzdržuje pri 580-590 °C. Nitriranje v solni kopeli lahko doseže zelo visoko trdoto ohišja do 1500 HV.
• Nitriranje z zvrtinčeno posteljo - Nitriranje z zvrtinčeno plastjo vključuje disociacijo plinastega amoniaka v plasti prahu aluminijevega oksida, ki je fluidiziran s tokom plina. Ta metoda zagotavlja odlično enakomernost temperature med obdelavo.
• Druge različice - Druge različice vključujejo nitrokarburiranje, ki dodaja ogljik za tvorbo karbonitridov, naknadno oksidacijo za tvorbo črnih oksidnih plasti in nizkotemperaturno nitriranje med 350-380 °C. Uporabljajo se tudi hibridni postopki, kot je plazemsko nitrokarburiranje.

Materiali, primerni za nitriranje

Nitriranje se lahko uporablja za vrsto železovih in neželeznih zlitin:

Nizkoogljična jekla

Nizko legirana jekla z manj kot 0.25 % ogljika so običajno nitrirana, da se poveča trdota površine in odpornost proti obrabi. Nizka vsebnost ogljika zmanjšuje tvorbo nestabilnih železovih nitridov. Priljubljeni primeri vključujejo jekla 1018, 4140 in 4340.

Orodna jekla

Orodna jekla, vključno s H13, P20 in D2, so idealna za nitriranje zaradi svoje visoke kaljivosti in vsebnosti zlitin. Nitriranje poveča trdoto, trdnost in življenjsko dobo orodij za vroča ali hladna dela.

Nerjaveče jeklo

Martenzitno in padavinsko utrjeno nerjavno jeklo, kot so 410, 416, 420 in 17-4PH, je mogoče učinkovito nitrirati za izboljšanje odpornosti proti obrabi in koroziji. Površinsko trdoto je mogoče doseči 1000-1400 HV.

Aluminijeve zlitine

Določene aluminijeve zlitine, ki vsebujejo silicij in magnezij, je mogoče nitrirati s postopkom, imenovanim nitrokarburiranje. To istočasno difundira dušik in ogljik v zlitino.

Titanove zlitine

Titanove zlitine, vključno s Ti-6Al-4V, je mogoče nitrirati s plazemskimi metodami. To ustvari zaščitno površinsko plast z visoko trdoto brez vpliva na duktilnost jedra in lomno žilavost.

Druge zlitine

Tudi druge materiale, kot so superzlitine na osnovi niklja, orodna jekla in kobaltove zlitine, je mogoče nitrirati. Tako železove kot neželezove zlitine z zadostnimi dodatki zlitin za stabilizacijo nitridov lahko koristijo.

Oprema in potrošni material za nitriranje

Procesi nitriranja uporabljajo specializirane peči, zaloge plina in opremo za nadzor temperature:

• Nitriranje peči
  • Škatlaste ali ohišne peči s plinotesnimi retortami in izolacijo za plinsko in plazemsko nitriranje do 1000 °F (590 °C).
  • Peči za kopel s staljeno soljo za nitriranje v kopeli s soljo pri približno 1100 °F (590 °C).
  • Peči z zvrtinčeno plastjo, ki vsebujejo porozne keramične medije za nitriranje z zvrtinčeno plastjo.
• Dušikov plin
  • Dušikov plin visoke čistosti kot vir za plinsko nitriranje.
  • Plin amoniak, ki disociira na dušik in vodik za plinsko nitriranje.
• Napajalniki
  • Napajalniki z enosmernim tokom do 1000 V in nazivnim tokom nad 10,000 amperov za plazemsko nitriranje.
• Spremljanje temperature
  • Termoelementi za spremljanje enakomernosti temperature peči.
  • Pirometri za merjenje površinske temperature komponent.
• Potrošni
  • Cianidne soli za nitriranje solne kopeli.
  • Prah aluminijevega oksida za nitriranje z zvrtinčeno plastjo.
  • Olje za dušenje, čistilne raztopine, orodje, napeljave itd.

Ustrezna oprema je bistvenega pomena za nadzor atmosfere nitriranja, temperature in trajanja, da se doseže ponovljiva globina in lastnosti ohišja.

Postopek nitriranja

Ključni koraki v tipičnem postopku nitriranja so:

1. čiščenje
   1. Odstranite umazanijo, olje, maščobo, okside in druge onesnaževalce s površine komponent z razmaščevanjem, alkalnim čiščenjem ali luženjem s kislino.
2. loading
   1. Sestavne dele previdno naložite v napeljave ali košare, da preprečite kontaminacijo in zagotovite ustrezno izpostavljenost.
3. Ogrevanje in držanje
   1. Segrevajte s hitrostjo 400–800 °F/uro (220–440 °C/uro), da dosežete temperaturo nitriranja.
   2. Držite pri temperaturi nitriranja, da obdelovanci dosežejo toplotno ravnovesje.
4. Nitriranje
   1. Izpostavite obdelovance okolju, bogatemu z dušikom, pri temperaturi nitriranja za potreben čas, da dosežete globino ohišja.
   2. Plinski amoniak razpade na dušik in vodik. Plazma ustvarja dušikove ione. Cianidne soli sproščajo dušik.
5. Gašenje
   1. Hitro hlajenje, na primer v olju, da se ohrani nitrirana struktura. Za nekatere procese ni potrebno.
6. Razkladanje in čiščenje
   1. Odstranite obdelovance in s pranjem odstranite morebitne ostanke gasilnega olja ali soli.
   2. Uporabite naknadno obdelavo, kot je brušenje ali poliranje.

Potreben je skrben nadzor procesa, da se doseže želena globina ohišja, zmanjša popačenje in zagotovi nastanek nitridne faze.

Industrijska uporaba nitriranja

Nekatere običajne industrijske uporabe nitriranja v mehanskih komponentah vključujejo:

Gears

Zobniki iz nitriranega legiranega jekla imajo višjo površinsko trdoto in odpornost proti utrujenosti. Uporablja se v menjalnikih, odmičnih zobnikih, obročnih zobnikih itd.

Ležaji

Nitriranje ležajnih obročev, kotalnih elementov in ležajnih površin izboljša odpornost proti obrabi in vzdržljivost pri cikličnih obremenitvah.

Ročične gredi

Nitriranje poveča odpornost proti utrujanju zaokrožencev in ležajev ročične gredi. Uporablja se v avtomobilskih in ladijskih motorjih.

Bati

Nitrirani bati iz litega aluminija povečujejo odpornost proti praskam in odpornost proti obrabi lepila ob stene cilindra.

ventili

Izboljšana obraba sesalnih in izpušnih ventilov motorjev z notranjim zgorevanjem z nitriranimi obrazi in stebli ventilov.

Orodja za rezanje

Prevlečena rezalna orodja iz hitroreznega jekla in karbidne trdine, obdelana z nitriranjem, imajo boljše stopnje odstranjevanja kovin in življenjsko dobo.

Matrice in kalupi

Nitrirani orodni jekleni kalupi in matrice za litje, kovanje in vtiskovanje kažejo izboljšano vzdržljivost in učinkovitost.

Druge uporabe

Pogost v tlačnih posodah, gredi, valjih, odmikačih, pritrdilnih elementih, aktuatorjih in komponentah tekočega pogona.

Zaradi povečane površinske trdote, odpornosti proti obrabi, odpornosti proti utrujenosti in odpornosti proti koroziji je nitriranje idealno za kritične mehanske dele.

Nitriranje v nakitu in dodatkih

Čeprav je nitriranje manj pogosto od industrijske uporabe, ima nitriranje nekaj nišnih aplikacij v nakitu in modnih dodatkih:

Izboljšana površinska obdelava

Nitriranje lahko zagotovi gladko enotno površinsko obdelavo kovinskih komponent nakita, kot so prstani, zapestnice in ohišja ur. To zmanjša potrebo po sekundarnem poliranju.

Izboljšana odpornost proti koroziji

Nitriran sloj izboljša korozijsko odpornost kosov nakita, ki so izpostavljeni vlagi, kot so prstani, zapestnice, verižice in kovinski paščki za ure.

Dekorativni črni premazi

Selektivno črnjenje jedkanih površin z nitriranjem nerjavnega jekla ali titana lahko zagotovi okrasne vzorce in poudarke na nakitu.

Utrjene površine

Izboljšana odpornost proti obrabi za visoko uporabne predmete nakita, kot so moški prstani in kovinski pasovi za ure, s površinskim utrjevanjem.

Prihranek stroškov

Pri nekaterih kovinah lahko nitriranje zagotovi boljše zmogljivosti v primerjavi s prevlekami ali PVD prevlekami za nižje stroške.

Percepcija strank

Nekatere luksuzne znamke uporabljajo nitriranje zaradi zaznanih prednosti tehnologije in površinske obdelave.

Čeprav ni tako razširjeno kot v predelovalni industriji, lahko nitriranje zagotovi funkcionalne in estetske prednosti za izbrane aplikacije za nakit. Za ohranitev videza kovin za nakit je potreben ustrezen nadzor.

Primerjava z drugimi postopki površinskega utrjevanja

Nitriranje se razlikuje od drugih običajnih postopkov površinskega utrjevanja na več načinov:

Karburiranje

Naogljičenje razprši ogljik in ne dušik v površino jekla. Ustvari trši, a manj stabilen martenzitni ohišje. Nitriranje zagotavlja boljšo odpornost proti koroziji.

Nitrokarburiranje

Nitroogljičenje dodaja dušik in ogljik hkrati. Kombinirano ohišje iz karbonitrida ima lahko prednosti pred katerim koli posebej.

Indukcijsko kaljenje

Indukcijsko kaljenje hitro segreje in kali površino z elektromagnetno indukcijo. Nitriranje zagotavlja večjo globino ohišja in manj popačenja.

Plamensko utrjevanje

Pri kaljenju s plamenom gorilniki s kisikom hitro segrejejo površino pred gašenjem. Nitriranje lahko učinkoviteje utrdi zapletene geometrije.

Nanašanje trdega filma

Tehnike nanašanja trdega filma, kot so PVD, CVD in termično razpršeni premazi, na površino nanesejo tanko keramično prevleko. Nitriranje difundira dušik v samo kovino substrata za boljši oprijem in odpornost proti utrujenosti. Vendar lahko premazi zagotovijo dodatne prednosti, kot je izolacija ali odpornost na visoke temperature.