ไนไตรด์คืออะไร?

พื้นฐานของไนไตรดิ้ง

ไนไตรดิ้งเป็นกระบวนการบำบัดความร้อนที่กระจายไนโตรเจนเข้าสู่พื้นผิวของโลหะเพื่อสร้างพื้นผิวที่แข็งตัว ไนโตรเจนที่เติมเข้าไปจะเพิ่มความแข็งและความต้านทานต่อการสึกหรอโดยไม่ส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติทางโลหะวิทยาของแกนอย่างมีนัยสำคัญ ในระหว่างการทำไนไตรด์ โลหะจะถูกให้ความร้อนถึง 500-550°C ในบรรยากาศที่อุดมด้วยไนโตรเจน ไนโตรเจนแพร่กระจายเข้าสู่พื้นผิวได้ลึกถึง 0.5 มม. และทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบอัลลอยด์ เช่น อลูมิเนียม วาเนเดียม และโครเมียม เพื่อเกิดเป็นไนไตรด์ชนิดแข็ง ไนไตรด์เหล่านี้เพิ่มความแข็งของพื้นผิวได้สูงถึง 1300 HV ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการสึกหรอและการกัดกร่อน

วัตถุประสงค์ของไนไตรดิ้ง

ไนไตรดิ้งใช้เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติพื้นผิวของโลหะเพื่อวัตถุประสงค์หลักหลายประการ:

เพิ่มความแข็งของพื้นผิว

วัตถุประสงค์หลักของไนไตรดิ้งคือเพื่อเพิ่มความแข็งผิวของโลหะ ไนโตรเจนที่เติมเข้าไปจะทำปฏิกิริยากับธาตุผสมเพื่อสร้างสารประกอบไนไตรด์ชนิดแข็ง ชั้นการแพร่กระจายนี้จะเพิ่มความแข็งได้ถึง 1300 HV ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอและความสามารถในการรับน้ำหนัก

ปรับปรุงความแข็งแรงของความเมื่อยล้า

ความลึกของตัวเรือนที่แข็งตัวซึ่งเกิดจากไนไตรดิ้งช่วยเพิ่มความแข็งแรงความล้าของส่วนประกอบต่างๆ เช่น เกียร์และเพลา ความเค้นอัดที่เกิดขึ้นในกรณีไนไตรด์จะเพิ่มความต้านทานต่อการเริ่มต้นและการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว

เพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน

การทำไนไตรดิ้งช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนได้สองวิธี ประการแรก สารประกอบไนไตรด์มีความเสถียรและเฉื่อยมาก ประการที่สอง ความลึกของชั้นที่สร้างขึ้นโดยไนไตรดิ้งช่วยให้แน่ใจว่าวัสดุแกนกลางจะไม่ได้รับผลกระทบหากชั้นพื้นผิวสึกหรอ

ความผิดเพี้ยนน้อยที่สุด

ต่างจากวิธีการชุบแข็งด้วยการชุบแข็ง ไนไตรดิ้งไม่จำเป็นต้องทำให้ชิ้นส่วนเย็นลงอย่างรวดเร็ว เป็นผลให้ไนไตรดิ้งทำให้เกิดการบิดเบี้ยวหรือความเค้นตกค้างน้อยมาก ทำให้เหมาะสำหรับส่วนประกอบที่มีความแม่นยำสูง การเปลี่ยนแปลงมิติที่เกิดจากไนไตรดิ้งนั้นไม่มีนัยสำคัญ

ประเภทของไนไตรดิ้ง

มีวิธีการหลักและรูปแบบต่างๆ หลายประการของกระบวนการไนไตรด์ที่ใช้ในอุตสาหกรรม:

• แก๊สไนไตรด์– ในแก๊สไนไตรดิ้ง แหล่งไนโตรเจนมาจากก๊าซแอมโมเนียที่แยกตัวออกเป็นไนโตรเจนและไฮโดรเจน ก๊าซแอมโมเนียมีราคาถูกกว่าก๊าซไนโตรเจนบริสุทธิ์ ส่วนประกอบต่างๆ ได้รับความร้อนถึง 500-590°C ในรูปแบบรีทอร์ตแบบปิดผนึกโดยมีการควบคุมการไหลของแอมโมเนีย
• พลาสม่าไนไตรดิ้ง- พลาสมาไนไตรด์ใช้การปล่อยพลาสมาที่สร้างขึ้นโดยแหล่งจ่ายไฟแรงสูงเพื่อสร้างไอออนไนโตรเจนที่กระตุ้นการทำงาน ช่วยให้การแพร่กระจายเร็วขึ้นที่อุณหภูมิต่ำกว่า 350-590°C พลาสมาไนไตรดิ้งให้การควบคุมความลึกของตัวเรือนได้อย่างแม่นยำ
• เกลืออาบน้ำไนไตรดิ้ง- ในไนไตรดิงของอ่างเกลือ แหล่งไนโตรเจนมาจากการแยกตัวของเกลือไซยาไนด์ เช่น NaCN ชิ้นส่วนต่างๆ จุ่มอยู่ในอ่างเกลือไซยาไนด์หลอมเหลวซึ่งคงไว้ที่อุณหภูมิ 580-590°C ไนไตรด์ในอ่างเกลือสามารถให้ความแข็งของเคสสูงมากได้ถึง 1500 HV
• ฟลูอิไดซ์เบดไนไตรดิ้ง- ไนไตรดิงฟลูอิไดซ์เบดเกี่ยวข้องกับการแยกตัวของก๊าซแอมโมเนียในเบดของผงอลูมินาที่ถูกฟลูอิไดซ์โดยการไหลของก๊าซ วิธีนี้ช่วยให้อุณหภูมิมีความสม่ำเสมอที่ดีเยี่ยมในระหว่างการรักษา
• รูปแบบอื่น ๆ - รูปแบบอื่นๆ ได้แก่ ไนโตรคาร์บูไรซิ่งซึ่งเพิ่มคาร์บอนเพื่อสร้างคาร์บอนไนไตรด์ โพสต์ออกซิไดซ์เพื่อสร้างชั้นออกไซด์สีดำ และไนไตรด์ที่อุณหภูมิต่ำระหว่าง 350-380°C นอกจากนี้ยังใช้กระบวนการไฮบริด เช่น พลาสมาไนโตรคาร์บูไรซิ่งอีกด้วย

วัสดุที่เหมาะสมสำหรับการทำไนไตรดิ้ง

ไนไตรด์สามารถนำไปใช้กับโลหะผสมประเภทเหล็กและอโลหะได้หลายประเภท:

เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ

เหล็กกล้าโลหะผสมต่ำที่มีคาร์บอนน้อยกว่า 0.25% มักถูกไนไตรด์เพื่อเพิ่มความแข็งของพื้นผิวและความต้านทานการสึกหรอ ปริมาณคาร์บอนต่ำช่วยลดการก่อตัวของเหล็กไนไตรด์ที่ไม่เสถียร ตัวอย่างยอดนิยม ได้แก่ เหล็กกล้า 1018, 4140 และ 4340

เหล็กกล้าเครื่องมือ

เหล็กกล้าเครื่องมือซึ่งรวมถึง H13, P20 และ D2 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการทำไนไตรด์เนื่องจากมีความสามารถในการชุบแข็งและมีปริมาณโลหะผสมสูง ไนไตรดิ้งช่วยเพิ่มความแข็ง ความแข็งแรง และอายุการใช้งานของเครื่องมือสำหรับงานร้อนหรือเย็น

เหล็กกล้าไร้สนิม

สเตนเลสสตีลชุบแข็งมาร์เทนซิติกและการตกตะกอน เช่น 410, 416, 420 และ 17-4PH สามารถนำไปไนไตรด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอและการกัดกร่อน สามารถรับความแข็งพื้นผิวได้ 1000-1400 HV

โลหะผสมอลูมิเนียม

อลูมิเนียมอัลลอยด์บางชนิดที่มีซิลิคอนและแมกนีเซียมสามารถไนไตรด์ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าไนโตรคาร์บูไรซิ่ง สิ่งนี้จะกระจายไนโตรเจนและคาร์บอนไปในโลหะผสมพร้อมกัน

โลหะผสมไทเทเนียม

โลหะผสมไทเทเนียมรวมถึง Ti-6Al-4V สามารถถูกไนไตรด์ด้วยวิธีพลาสมา สิ่งนี้จะสร้างชั้นพื้นผิวป้องกันที่มีความแข็งสูง โดยไม่ส่งผลกระทบต่อความเหนียวของแกนกลางและความเหนียวของการแตกหัก

โลหะผสมอื่นๆ

วัสดุอื่นๆ เช่น ซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิล เหล็กกล้าเครื่องมือ และโลหะผสมโคบอลต์ ก็สามารถนำไปเป็นไนไตรด์ได้เช่นกัน โลหะผสมทั้งที่เป็นเหล็กและไม่ใช่เหล็กที่มีการเติมอัลลอยด์ที่เพียงพอเพื่อรักษาเสถียรภาพของไนไตรด์จะได้รับประโยชน์

อุปกรณ์และวัสดุสิ้นเปลืองสำหรับไนไตรดิ้ง

กระบวนการไนไตรดิ้งใช้เตาเผาแบบพิเศษ การจ่ายก๊าซ และอุปกรณ์ตรวจสอบอุณหภูมิ:

• เตาไนไตรดิ้ง
  • เตาเผาแบบกล่องหรือแบบตู้ที่มีการรีทอร์ตแบบแน่นด้วยแก๊สและเป็นฉนวนสำหรับไนไตรด์ของแก๊สและพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงถึง 1000°F (590°C)
  • เตาอาบเกลือหลอมเหลวสำหรับอาบเกลือที่มีไนไตรด์ที่อุณหภูมิประมาณ 1100°F (590°C)
  • เตาฟลูอิไดซ์เบดที่มีตัวกลางเซรามิกที่มีรูพรุนสำหรับไนไตรดิงฟลูอิไดซ์เบด
• ก๊าซไนโตรเจน
  • ก๊าซไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นแหล่งก๊าซไนไตรด์
  • ก๊าซแอมโมเนียที่แยกตัวออกเป็นไนโตรเจนและไฮโดรเจนสำหรับแก๊สไนไตรด์
• พาวเวอร์ซัพพลาย
  • จ่ายไฟ DC สูงถึง 1000V และพิกัดกระแสไฟมากกว่า 10,000 แอมป์สำหรับพลาสมาไนไตรด์
• การตรวจสอบอุณหภูมิ
  • เทอร์โมคัปเปิ้ลเพื่อตรวจสอบความสม่ำเสมอของอุณหภูมิเตาเผา
  • ไพโรมิเตอร์เพื่อวัดอุณหภูมิพื้นผิวของส่วนประกอบ
• วัสดุสิ้นเปลือง
  • เกลือไซยาไนด์สำหรับอาบเกลือไนไตรด์
  • ผงอลูมินาสำหรับไนไตรดิงเบดฟลูอิไดซ์เบด
  • ดับน้ำมัน น้ำยาทำความสะอาด เครื่องมือ อุปกรณ์ติดตั้ง ฯลฯ

อุปกรณ์ที่เหมาะสมถือเป็นสิ่งสำคัญในการควบคุมบรรยากาศ อุณหภูมิ และระยะเวลาในการทำไนไตรดิ้ง เพื่อให้ได้ความลึกและคุณสมบัติของเคสที่ทำซ้ำได้

กระบวนการไนไตรดิ้ง

ขั้นตอนสำคัญในกระบวนการไนไตรด์ทั่วไปคือ:

1. การทำความสะอาด
   1. ขจัดสิ่งสกปรก น้ำมัน จาระบี ออกไซด์ และสิ่งปนเปื้อนอื่นๆ ออกจากพื้นผิวส่วนประกอบโดยการล้างไขมัน การทำความสะอาดด้วยด่าง หรือการดองด้วยกรด
2. กำลังโหลด
   1. ใส่ส่วนประกอบอย่างระมัดระวังลงในอุปกรณ์ติดตั้งหรือตะกร้าเพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนและให้แน่ใจว่ามีการสัมผัสที่เหมาะสม
3. เครื่องทำความร้อนและการถือครอง
   1. ให้ความร้อนที่อัตรา 400-800°F/ชม. (220-440°C/ชม.) เพื่อให้ได้อุณหภูมิไนไตรด์
   2. คงไว้ที่อุณหภูมิไนไตรดิงเพื่อให้ชิ้นงานมีความสมดุลทางความร้อน
4. ไนไตรด์
   1. นำชิ้นงานไปสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยไนโตรเจนที่อุณหภูมิไนไตรด์ตามเวลาที่กำหนดเพื่อให้ได้ความลึกของเคส
   2. ก๊าซแอมโมเนียแตกตัวเป็นไนโตรเจนและไฮโดรเจน พลาสมาสร้างไอออนไนโตรเจน เกลือไซยาไนด์จะปล่อยไนโตรเจน
5. การดับ
   1. ระบายความร้อนอย่างรวดเร็วเช่นในน้ำมันเพื่อรักษาโครงสร้างไนไตรด์ ไม่จำเป็นสำหรับบางกระบวนการ
6. การขนถ่ายและการทำความสะอาด
   1. ขนชิ้นงานออกและกำจัดสิ่งตกค้างออกจากน้ำมันดับหรือเกลือโดยการล้าง
   2. ใช้ขั้นตอนหลังการรักษา เช่น การเจียรหรือขัดเงา

การควบคุมกระบวนการอย่างระมัดระวังเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้ความลึกของเคสที่ต้องการ ลดการบิดเบือน และรับประกันการก่อตัวของเฟสไนไตรด์

การใช้งานทางอุตสาหกรรมของไนไตรดิ้ง

การใช้ไนไตรด์ทางอุตสาหกรรมโดยทั่วไปในส่วนประกอบทางกล ได้แก่:

Gears

เกียร์เหล็กโลหะผสมไนไตรด์มีความแข็งพื้นผิวและความเมื่อยล้าสูงกว่า ใช้ในเกียร์เกียร์ เกียร์แคม เฟืองวงแหวน ฯลฯ

ตลับ

การทำไนไตรด์ของตลับลูกปืน องค์ประกอบที่กลิ้ง และพื้นผิวของตลับลูกปืนช่วยเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอและความทนทานภายใต้การรับน้ำหนักแบบวน

crankshafts

ไนไตรดิ้งช่วยเพิ่มความแข็งแรงเมื่อยล้าของเนื้อเพลาข้อเหวี่ยงและเจอร์นัล ใช้ในเครื่องยนต์ยานยนต์และเรือเดินทะเล

ลูกสูบ

ลูกสูบอะลูมิเนียมหล่อไนไตรด์เพิ่มความต้านทานการครูดและความต้านทานการสึกหรอแบบยึดเกาะกับผนังกระบอกสูบ

วาล์ว

ปรับปรุงการสึกหรอของวาล์วไอดีและไอเสียของเครื่องยนต์สันดาปภายในที่มีหน้าวาล์วและก้านไนไตรด์

เครื่องมือตัด

เครื่องมือตัดเหล็กความเร็วสูงและคาร์ไบด์เคลือบด้วยไนไตรด์มีอัตราการขจัดเนื้อโลหะและอายุการใช้งานที่ดีกว่า

แม่พิมพ์และแม่พิมพ์

แม่พิมพ์และแม่พิมพ์เหล็กกล้าเครื่องมือไนไตรด์สำหรับการหล่อ การตีขึ้นรูป และการปั๊ม แสดงให้เห็นถึงความทนทานและประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น

การใช้งานอื่น ๆ

พบได้ทั่วไปในภาชนะรับความดัน เพลา กระบอกสูบ ลูกเบี้ยว ตัวยึด ตัวกระตุ้น และส่วนประกอบกำลังของของไหล

การเพิ่มขึ้นของความแข็งพื้นผิว ความต้านทานการสึกหรอ ความแข็งแรงเมื่อยล้า และความต้านทานการกัดกร่อน ทำให้ไนไตรด์เหมาะสำหรับชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่สำคัญ

ไนไตรดิ้งในเครื่องประดับและอุปกรณ์เสริม

แม้ว่าจะพบได้น้อยกว่าการใช้ในอุตสาหกรรม แต่ไนไตรดิ้งก็มีการใช้งานเฉพาะบางอย่างในเครื่องประดับและเครื่องประดับแฟชั่น:

ปรับปรุง Surface Finish

ไนไตรด์สามารถให้ผิวสำเร็จที่เรียบเนียนสม่ำเสมอบนส่วนประกอบโลหะที่เป็นเครื่องประดับ เช่น แหวน กำไลข้อมือ และตัวเรือนนาฬิกา ซึ่งจะช่วยลดความจำเป็นในการขัดเงาขั้นที่สอง

เพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อน

ชั้นไนไตรด์ช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนสำหรับชิ้นส่วนเครื่องประดับที่สัมผัสกับความชื้น เช่น แหวน กำไล โซ่ และสายนาฬิกาโลหะ

เคลือบสีดำตกแต่ง

การเลือกสีดำคล้ำของพื้นผิวแกะสลักด้วยไนไตรดิ้งสแตนเลสหรือไททาเนียมสามารถให้ลวดลายและการตกแต่งเครื่องประดับได้

พื้นผิวแข็ง

ปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอสำหรับเครื่องประดับที่มีการใช้งานสูง เช่น แหวนผู้ชายและสายนาฬิกาโลหะ ผ่านการชุบแข็งพื้นผิว

ประหยัดค่าใช้จ่าย

ในโลหะบางชนิด ไนไตรดิ้งอาจให้ประโยชน์ด้านประสิทธิภาพมากกว่าการชุบหรือการเคลือบ PVD โดยมีต้นทุนที่ต่ำกว่า

การรับรู้ของลูกค้า

แบรนด์หรูบางแบรนด์ใช้ไนไตรดิ้งเพื่อประโยชน์ที่ได้รับจากเทคโนโลยีและการตกแต่งพื้นผิว

แม้ว่าจะไม่แพร่หลายเท่าในอุตสาหกรรมการผลิต แต่ไนไตรด์สามารถให้ข้อได้เปรียบด้านการใช้งานและความสวยงามสำหรับการใช้งานเครื่องประดับบางประเภทได้ จำเป็นต้องมีการควบคุมอย่างเหมาะสมเพื่อรักษารูปลักษณ์ของโลหะเครื่องประดับ

เปรียบเทียบกับกระบวนการชุบแข็งพื้นผิวอื่นๆ

การทำไนไตรดิ้งแตกต่างจากกระบวนการชุบแข็งพื้นผิวทั่วไปอื่นๆ ในหลายประการ:

carburizing

การทำคาร์บูไรซิ่งจะกระจายคาร์บอนมากกว่าไนโตรเจนเข้าสู่พื้นผิวเหล็ก มันสร้างเคสมาร์เทนซิติกที่แข็งกว่าแต่มีความเสถียรน้อยกว่า ไนไตรดิ้งให้ความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีขึ้น

ไนโตรคาร์บูไรซิ่ง

ไนโตรคาร์บูไรซิ่งจะเพิ่มทั้งไนโตรเจนและคาร์บอนพร้อมกัน กรณีคาร์บอนไนไตรด์ที่รวมกันสามารถให้ข้อได้เปรียบเหนือกรณีใดกรณีหนึ่งได้

การเหนี่ยวนำการแข็งตัว

การเหนี่ยวนำการแข็งตัวจะร้อนอย่างรวดเร็วและดับพื้นผิวผ่านการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า การทำไนไตรดิ้งให้ความลึกของเคสที่ลึกยิ่งขึ้นและการบิดเบือนที่น้อยลง

การชุบแข็งด้วยเปลวไฟ

ด้วยการชุบแข็งด้วยเปลวไฟ คบเพลิงที่ใช้เชื้อเพลิงออกซิเจนจะทำความร้อนพื้นผิวอย่างรวดเร็วก่อนที่จะดับ การทำไนไตรดิ้งสามารถชุบแข็งรูปทรงที่ซับซ้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

การสะสมฟิล์มแข็ง

เทคนิคการตกสะสมของฟิล์มแข็ง เช่น PVD, CVD และการพ่นเคลือบด้วยความร้อนจะทำให้เกิดการเคลือบเซรามิกบาง ๆ บนพื้นผิว ไนไตรดิ้งจะกระจายไนโตรเจนเข้าไปในเนื้อโลหะของสารตั้งต้นเพื่อการยึดเกาะและความต้านทานความล้าที่ดีขึ้น อย่างไรก็ตาม การเคลือบสามารถให้ประโยชน์เพิ่มเติมได้ เช่น การเป็นฉนวนหรือการทนต่ออุณหภูมิสูง