Vad är nitrering?

Grund för nitrering

Nitrering är en värmebehandlingsprocess som sprider kväve in i ytan på en metall för att skapa en härdad yta. Det tillsatta kvävet ökar hårdheten och slitstyrkan utan att nämnvärt påverka kärnans metallurgiska egenskaper. Under nitrering värms metallen upp till 500-550°C i en kväverik atmosfär. Kväve diffunderar in i ytan upp till 0.5 mm djup och reagerar med legeringselement som aluminium, vanadin och krom för att bilda hårda nitrider. Dessa nitrider ökar ythårdheten upp till 1300 HV, vilket förbättrar slitage och korrosionsbeständighet.

Syften med nitrering

Nitrering används för att förbättra ytegenskaperna hos metaller för flera viktiga ändamål:

Öka ythårdheten

Det primära syftet med nitrering är att öka ythårdheten hos metaller. Det tillsatta kvävet reagerar med legeringsämnen och bildar hårda nitridföreningar. Detta diffusionsskikt ökar hårdheten upp till 1300 HV, vilket förbättrar slitstyrkan och belastningskapaciteten.

Förbättra trötthetsstyrkan

Det härdade höljesdjupet som skapas av nitrering förbättrar utmattningshållfastheten hos komponenter som växlar och axlar. De tryckspänningar som bildas i det nitrerade höljet ökar motståndet mot sprickinitiering och utbredning.

Förbättra korrosionsbeständigheten

Nitrering förbättrar korrosionsbeständigheten på två sätt. För det första är nitridföreningarna mycket stabila och inerta. För det andra säkerställer lagerdjupet som skapas av nitrering att kärnmaterialet förblir opåverkat om ytskiktet slits bort.

Minimal distorsion

Till skillnad från härdningshärdningsmetoder kräver nitrering inte snabb kylning av delen. Som ett resultat orsakar nitrering mycket liten förvrängning eller kvarvarande spänning, vilket gör den lämplig för komponenter med hög precision. De dimensionsförändringar som orsakas av nitrering är försumbara.

Typer av nitrering

Det finns flera huvudmetoder och varianter av nitreringsprocessen som används inom industrin:

• Gasnitrering– Vid gasnitrering kommer kvävekällan från ammoniakgas dissocierad till kväve och väte. Ammoniakgasen är billigare än ren kvävgas. Komponenter värms till 500-590°C i en förseglad retort med kontrollerat ammoniakflöde.
• Plasmanitrering- Plasmanitrering använder plasmaurladdning som genereras av en högspänningskälla för att skapa aktiverade kvävejoner. Detta möjliggör snabbare diffusion vid lägre temperaturer på 350-590°C. Plasmanitrering ger exakt kontroll över höljets djup.
• Saltbadsnitrering- Vid saltbadnitrering kommer kvävekällan från dissociationen av cyanidsalter som NaCN. Delar nedsänks i det smälta cyanidsaltbadet som hålls vid 580-590°C. Saltbadsnitrering kan uppnå mycket hög höljeshårdhet upp till 1500 HV.
• Nitrering av fluidiserad bädd- Nitrering med fluidiserad bädd involverar dissociering av ammoniakgas i en bädd av aluminiumoxidpulver som fluidiserats av gasflöde. Denna metod ger utmärkt temperaturjämnhet under behandlingen.
• Andra varianter- Andra variationer inkluderar nitrokarburering som tillsätter kol för att bilda karbonitrider, efteroxidering för att bilda svarta oxidskikt och lågtemperaturnitrering mellan 350-380°C. Hybridprocesser som plasmanitrokarburering används också.

Material som lämpar sig för nitrering

Nitrering kan tillämpas på en rad järn- och icke-järnlegeringar:

Lågkolhaltiga stål

Låglegerade stål med kol mindre än 0.25 % nitreras vanligtvis för att öka ythårdheten och slitstyrkan. Den låga kolhalten minskar bildningen av instabila järnnitrider. Populära exempel inkluderar 1018, 4140 och 4340 stål.

Verktygsstål

Verktygsstål inklusive H13, P20 och D2 är idealiska för nitrering på grund av deras höga härdbarhet och legeringsinnehåll. Nitrering ökar hårdheten, styrkan och livslängden i verktyg för varma eller kalla arbetsapplikationer.

Rostfritt stål

Martensitiska och utfällningshärdande rostfria stål som 410, 416, 420 och 17-4PH kan effektivt nitreras för att förbättra slitage och korrosionsbeständighet. En ythårdhet på 1000-1400 HV kan uppnås.

Aluminiumlegeringar

Vissa aluminiumlegeringar som innehåller kisel och magnesium kan nitreras genom en process som kallas nitrokarburering. Detta sprider kväve och kol samtidigt in i legeringen.

Titanlegeringar

Titanlegeringar inklusive Ti-6Al-4V kan nitreras genom plasmametoder. Detta skapar ett skyddande ytskikt med hög hårdhet utan att påverka kärnans duktilitet och brottseghet.

Andra legeringar

Andra material som nickelbaserade superlegeringar, verktygsstål och koboltlegeringar kan också nitreras. Både järn- och icke-järnlegeringar med tillräckliga legeringstillsatser för att stabilisera nitrider kan gynnas.

Utrustning och förbrukningsvaror för nitrering

Nitreringsprocesser använder specialiserade ugnar, gastillförsel och temperaturövervakningsutrustning:

• Nitreringsugnar
  • Ugnar i låd- eller skåpstil med gastäta retorter och isolering för gas- och plasmanitrering upp till 1000°F (590°C).
  • Smält saltbadugnar för saltbadsnitrering runt 1100°F (590°C).
  • Virvelbäddsugnar innehållande porösa keramiska medier för nitrering med fluidiserad bädd.
• Kvävgas
  • Högren kvävgas som källa för gasnitrering.
  • Ammoniakgas som dissocierar till kväve och väte för gasnitrering.
• Nätaggregat
  • DC-strömförsörjning upp till 1000V och strömstyrka över 10,000 XNUMX ampere för plasmanitrering.
• Temperaturövervakning
  • Termoelement för att övervaka ugnstemperaturens enhetlighet.
  • Pyrometrar för att mäta yttemperatur på komponenter.
• Förbrukning
  • Cyanidsalter för saltbadsnitrering.
  • Aluminiumoxidpulver för nitrering i fluidiserad bädd.
  • Släckolja, rengöringslösningar, verktyg, fixturer, etc.

Korrekt utrustning är avgörande för att kontrollera nitreringsatmosfären, temperaturen och varaktigheten för att uppnå repeterbart höljedjup och egenskaper.

Nitreringsprocessen

Nyckelstegen i en typisk nitreringsprocess är:

1. Rengöring
   1. Ta bort smuts, olja, fett, oxider och andra föroreningar från komponentytan genom avfettning, alkalisk rengöring eller syrabetning.
2. Lastning
   1. Ladda komponenterna försiktigt i fixturer eller korgar för att undvika kontaminering och säkerställa korrekt exponering.
3. Värme och hålla
   1. Värm upp med en hastighet av 400-800°F/timme (220-440°C/timme) för att uppnå nitreringstemperatur.
   2. Håll vid nitreringstemperatur för att tillåta arbetsstyckena att nå termisk jämvikt.
4. nitrering
   1. Exponera arbetsstycken för kväverik miljö vid nitreringstemperatur under den tid som krävs för att uppnå höljesdjup.
   2. Ammoniakgas spricker till kväve och väte. Plasma genererar kvävejoner. Cyanidsalter frigör kväve.
5. Släckning
   1. Snabb kylning som i olja för att bevara den nitrerade strukturen. Krävs inte för vissa processer.
6. Avlastning och städning
   1. Lossa arbetsstycken och ta bort eventuella rester från kylolja eller salter genom att tvätta dem.
   2. Applicera efterbehandling som slipning eller polering.

Noggrann processkontroll krävs för att erhålla önskat höljedjup, minimera distorsion och säkerställa nitridfasbildning.

Industriella tillämpningar av nitrering

Några vanliga industriella användningar av nitrering i mekaniska komponenter inkluderar:

Gears

Kugghjul av nitrerat legerat stål har högre ythårdhet och utmattningshållfasthet. Används i transmissionsväxlar, kamväxlar, ringväxlar, etc.

Lager

Nitrering av lagerbanor, rullande element och lagerytor förbättrar slitstyrkan och hållbarheten vid cyklisk belastning.

vevaxlar

Nitrering ökar utmattningshållfastheten hos vevaxelfiléer och -tappar. Används i bil- och marinmotorer.

Kolvar

Nitrerade gjutna aluminiumkolvar ökar motståndskraften mot nötning och nötningsbeständighet mot cylindrarnas väggar.

Ventiler

Förbättrat slitage på insugs- och avgasventiler på förbränningsmotorer med nitrerade ventilytor och skaft.

Skärverktyg

Belagda höghastighetstål och hårdmetallskärverktyg behandlade med nitrering har bättre metallavverkningshastigheter och livslängd.

Dies och formar

Nitrerade verktygsstålformar och formar för gjutning, smide och stansning visar förbättrad hållbarhet och prestanda.

andra användningsområden

Vanligt i tryckkärl, axlar, cylindrar, kammar, fästelement, ställdon och vätskekraftkomponenter.

Ökningen av ythårdhet, slitstyrka, utmattningshållfasthet och korrosionsbeständighet gör nitrering idealisk för kritiska mekaniska delar.

Nitrering i smycken och accessoarer

Även om det är mindre vanligt än industriellt bruk, har nitrering vissa nischapplikationer inom smycken och modeaccessoarer:

Förbättrad ytfinish

Nitrering kan ge en jämn enhetlig ytfinish på smyckesmetallkomponenter som ringar, armband och klockfodral. Detta minskar behovet av sekundär polering.

Förbättrad korrosionsbeständighet

Det nitrerade skiktet förbättrar korrosionsbeständigheten för smycken som utsätts för fukt som ringar, armband, kedjor och klockarmband av metall.

Dekorativa svarta beläggningar

Selektiv svärtning av etsade ytor genom nitrering av rostfritt stål eller titan kan ge dekorativa mönster och accenter på smycken.

Härdade ytor

Förbättrad slitstyrka för högt brukade smycken som herrringar och metallurband genom ythärdning.

Kostnadsbesparingar

I vissa metaller kan nitrering ge prestandafördelar jämfört med plätering eller PVD-beläggningar till en lägre kostnad.

Kunduppfattning

Vissa lyxmärken använder nitrering för de upplevda fördelarna med tekniken och ytfinishen.

Även om det inte är lika utbrett som i tillverkningsindustrin, kan nitrering ge funktionella och estetiska fördelar för utvalda smyckestillämpningar. Korrekt kontroll krävs för att upprätthålla utseendet på smyckesmetaller.

Jämförelse med andra ythärdningsprocesser

Nitrering skiljer sig från andra vanliga ythärdningsprocesser på flera sätt:

karburerande

Karburering diffunderar kol snarare än kväve i stålytan. Det skapar ett hårdare men mindre stabilt martensitiskt fodral. Nitrering ger bättre korrosionsbeständighet.

Nitrokarburering

Nitrokarburering tillför både kväve och kol samtidigt. Det kombinerade karbonitridhöljet kan erbjuda fördelar jämfört med var för sig.

Induktionshärdning

Induktionshärdning värmer och släcker snabbt ytan genom elektromagnetisk induktion. Nitrering ger djupare höljedjup och mindre distorsion.

Flamhärdning

Med flamhärdning värmer oxy-fuel-brännare snabbt upp ytan innan de släcks. Nitrering kan härda komplexa geometrier mer effektivt.

Hård filmdeposition

Hårdfilmsavsättningstekniker som PVD, CVD och termiskt sprutade beläggningar avsätter en tunn keramisk beläggning på ytan. Nitrering diffunderar kväve i själva substratmetallen för bättre vidhäftnings- och utmattningsbeständighet. Beläggningar kan dock ge ytterligare fördelar som isolering eller hög temperaturbeständighet.