Thấm Nitơ là gì?

Cơ sở thấm nitơ

Thấm nitơ là một quá trình xử lý nhiệt giúp khuếch tán nitơ vào bề mặt kim loại để tạo ra bề mặt cứng. Nitơ được thêm vào làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn mà không ảnh hưởng đáng kể đến tính chất luyện kim của lõi. Trong quá trình thấm nitơ, kim loại được nung nóng đến 500-550°C trong môi trường giàu nitơ. Nitơ khuếch tán vào bề mặt sâu tới 0.5 mm và phản ứng với các nguyên tố hợp kim như nhôm, vanadi và crom để tạo thành nitrua cứng. Các nitrua này làm tăng độ cứng bề mặt lên đến 1300 HV, cải thiện khả năng chống mài mòn và ăn mòn.

Mục đích của thấm nitơ

Thấm nitơ được sử dụng để cải thiện tính chất bề mặt của kim loại cho một số mục đích chính:

Tăng độ cứng bề mặt

Mục đích chính của thấm nitơ là tăng độ cứng bề mặt của kim loại. Nitơ được thêm vào sẽ phản ứng với các nguyên tố hợp kim để tạo thành các hợp chất nitrua cứng. Lớp khuếch tán này làm tăng độ cứng lên tới 1300 HV, giúp cải thiện khả năng chống mài mòn và khả năng chịu tải.

Cải thiện sức mạnh mệt mỏi

Độ sâu vỏ cứng được tạo ra bằng cách thấm nitơ giúp cải thiện độ bền mỏi của các bộ phận như bánh răng và trục. Các ứng suất nén hình thành trong trường hợp thấm nitơ làm tăng khả năng chống lại sự bắt đầu và lan rộng vết nứt.

Tăng cường khả năng chống ăn mòn

Thấm nitơ cải thiện khả năng chống ăn mòn theo hai cách. Đầu tiên, các hợp chất nitrua rất ổn định và trơ. Thứ hai, độ sâu của lớp được tạo ra bằng cách thấm nitơ đảm bảo vật liệu lõi không bị ảnh hưởng nếu lớp bề mặt bị mài mòn.

Biến dạng tối thiểu

Không giống như các phương pháp tôi cứng, thấm nitơ không yêu cầu làm mát chi tiết nhanh chóng. Kết quả là, thấm nitơ gây ra rất ít biến dạng hoặc ứng suất dư, khiến nó phù hợp với các bộ phận có độ chính xác cao. Những thay đổi kích thước gây ra bởi thấm nitơ là không đáng kể.

Các loại thấm nitơ

Có một số phương pháp chính và các biến thể của quá trình thấm nitơ được sử dụng trong công nghiệp:

• Khí nitơ– Trong thấm nitơ bằng khí, nguồn nitơ đến từ khí amoniac phân ly thành nitơ và hydro. Khí amoniac rẻ hơn khí nitơ tinh khiết. Các thành phần được gia nhiệt đến 500-590°C trong nồi vặn kín với lưu lượng amoniac được kiểm soát.
• Thấm nitơ plasma- Thấm nitơ plasma sử dụng phóng điện plasma được tạo ra bởi nguồn điện cao áp để tạo ra các ion nitơ hoạt hóa. Điều này cho phép khuếch tán nhanh hơn ở nhiệt độ thấp hơn 350-590°C. Thấm nitơ plasma cung cấp khả năng kiểm soát chính xác độ sâu trường hợp.
• Thấm Nitơ trong bể muối- Trong thấm nitơ trong bể muối, nguồn nitơ đến từ sự phân ly của muối xyanua như NaCN. Các bộ phận được ngâm trong dung dịch muối xyanua nóng chảy được duy trì ở nhiệt độ 580-590°C. Thấm nitơ trong bể muối có thể đạt được độ cứng vỏ rất cao lên đến 1500 HV.
• Thấm Nitơ tầng sôi- Thấm nitơ tầng sôi liên quan đến quá trình phân ly khí amoniac trong lớp bột nhôm oxit hóa lỏng bằng dòng khí. Phương pháp này cung cấp sự đồng đều nhiệt độ tuyệt vời trong quá trình xử lý.
• Các biến thể khác- Các biến thể khác bao gồm nitrocarburizing bổ sung carbon để tạo thành carbonitride, quá trình oxy hóa sau để tạo thành các lớp oxit đen và thấm nitơ ở nhiệt độ thấp trong khoảng 350-380°C. Các quy trình lai như nitrocarburizing plasma cũng được sử dụng.

Vật liệu thích hợp cho thấm nitơ

Thấm nitơ có thể được áp dụng cho một loạt các hợp kim đen và kim loại màu:

Thép Carbon thấp

Thép hợp kim thấp có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0.25% thường được thấm nitơ để tăng độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn. Hàm lượng carbon thấp làm giảm sự hình thành các nitrua sắt không ổn định. Các ví dụ phổ biến bao gồm thép 1018, 4140 và 4340.

Thép công cụ

Các loại thép công cụ bao gồm H13, P20 và D2 ​​là lý tưởng để thấm nitơ do hàm lượng hợp kim và độ cứng cao của chúng. Thấm nitơ làm tăng độ cứng, độ bền và tuổi thọ của dụng cụ cho các ứng dụng gia công nóng hoặc lạnh.

Thép không rỉ

Các loại thép không gỉ làm cứng bằng Martensitic và kết tủa như 410, 416, 420 và 17-4PH có thể được thấm nitơ hiệu quả để cải thiện khả năng chống mài mòn và ăn mòn. Có thể đạt được độ cứng bề mặt 1000-1400 HV.

Hợp kim nhôm

Một số hợp kim nhôm có chứa silicon và magiê có thể được thấm nitơ thông qua một quá trình gọi là nitrocarburizing. Điều này khuếch tán đồng thời nitơ và carbon vào hợp kim.

Hợp kim titan

Các hợp kim titan bao gồm Ti-6Al-4V có thể được thấm nitơ thông qua các phương pháp plasma. Điều này tạo ra một lớp bề mặt bảo vệ có độ cứng cao mà không ảnh hưởng đến độ dẻo của lõi và độ bền đứt gãy.

Hợp kim khác

Các vật liệu khác như siêu hợp kim dựa trên niken, thép công cụ và hợp kim coban cũng có thể được thấm nitơ. Cả hợp kim đen và kim loại màu với lượng bổ sung hợp kim đầy đủ để ổn định nitrua đều có thể có lợi.

Thiết bị và vật tư tiêu hao cho thấm nitơ

Các quy trình thấm nitơ sử dụng các lò nung chuyên dụng, nguồn cung cấp khí đốt và thiết bị theo dõi nhiệt độ:

• Lò thấm nitơ
  • Lò nung kiểu hộp hoặc tủ có thanh vặn chặt bằng khí và lớp cách nhiệt cho thấm nitơ bằng khí và plasma lên đến 1000°F (590°C).
  • Lò nung muối nóng chảy để thấm nitơ trong bể muối khoảng 1100°F (590°C).
  • Lò đốt tầng sôi chứa môi trường gốm xốp để thấm nitơ tầng sôi.
• Khí ni-tơ
  • Khí nitơ có độ tinh khiết cao làm nguồn thấm nitơ khí.
  • Khí amoniac phân ly thành nitơ và hydro để thấm nitơ khí.
• Power Supplies
  • Nguồn DC cung cấp lên đến 1000V và định mức hiện tại trên 10,000 ampe cho thấm nitơ plasma.
• Kiểm soát nhiệt độ
  • Cặp nhiệt điện để theo dõi tính đồng nhất của nhiệt độ lò.
  • Hỏa kế để đo nhiệt độ bề mặt của các bộ phận.
• Hàng tiêu dùng
  • Muối xyanua để thấm nitơ trong bể muối.
  • Bột alumin cho thấm nitơ tầng sôi.
  • Dầu tôi, dung dịch làm sạch, dụng cụ, đồ đạc, v.v.

Thiết bị thích hợp là điều cần thiết để kiểm soát môi trường thấm nitơ, nhiệt độ và thời gian để đạt được độ sâu và đặc tính của trường hợp lặp lại.

quá trình thấm nitơ

Các bước chính trong quy trình thấm nitơ điển hình là:

1. Làm sạch
   1. Loại bỏ bụi bẩn, dầu, mỡ, oxit và các chất gây ô nhiễm khác khỏi bề mặt bộ phận thông qua tẩy dầu mỡ, làm sạch bằng kiềm hoặc tẩy axit.
2. Tải
   1. Tải các thành phần cẩn thận vào đồ đạc hoặc giỏ để tránh nhiễm bẩn và đảm bảo tiếp xúc thích hợp.
3. sưởi ấm và giữ
   1. Gia nhiệt với tốc độ 400-800°F/giờ (220-440°C/giờ) để đạt đến nhiệt độ thấm nitơ.
   2. Giữ ở nhiệt độ thấm nitơ để phôi đạt trạng thái cân bằng nhiệt.
4. Thấm nitơ
   1. Tiếp xúc phôi với môi trường giàu nitơ ở nhiệt độ thấm nitơ trong thời gian cần thiết để đạt được độ sâu trường hợp.
   2. Khí amoniac crackinh thành nitơ và hydro. Plasma tạo ra các ion nitơ. Muối xyanua giải phóng nitơ.
5. Quenching
   1. Làm mát nhanh như trong dầu để bảo toàn cấu trúc thấm nitơ. Không bắt buộc đối với một số quy trình.
6. dỡ hàng và làm sạch
   1. Dỡ phôi và loại bỏ bất kỳ cặn nào từ dầu tôi hoặc muối bằng cách rửa.
   2. Áp dụng xử lý sau như mài hoặc đánh bóng.

Cần kiểm soát quy trình cẩn thận để đạt được độ sâu trường hợp mong muốn, giảm thiểu biến dạng và đảm bảo hình thành pha nitrua.

Ứng dụng công nghiệp của thấm nitơ

Một số ứng dụng công nghiệp phổ biến của thấm nitơ trong các bộ phận cơ khí bao gồm:

Gears

Bánh răng thép hợp kim thấm nitơ có độ cứng bề mặt và độ bền mỏi cao hơn. Được sử dụng trong bánh răng truyền động, bánh răng cam, bánh răng vòng, v.v.

Vòng bi

Thấm thấm nitơ cho các rãnh của ổ trục, các con lăn và bề mặt ổ trục giúp cải thiện khả năng chống mài mòn và độ bền khi chịu tải theo chu kỳ.

Trục khuỷu

Thấm nitơ làm tăng độ bền mỏi của trục khuỷu và trục khuỷu. Được sử dụng trong động cơ ô tô và hàng hải.

Pistons

Các pít-tông nhôm đúc thấm nitơ tăng khả năng chống trầy xước và chống mài mòn chất kết dính đối với thành xi-lanh.

van

Cải thiện độ mài mòn ở van nạp và van xả của động cơ đốt trong có mặt và thân van thấm nitơ.

Dụng cụ cắt

Dụng cụ cắt cacbua và thép tốc độ cao được phủ được xử lý thấm nitơ có tỷ lệ loại bỏ kim loại và tuổi thọ tốt hơn.

chết và khuôn mẫu

Khuôn và khuôn thép công cụ thấm nitơ để đúc, rèn và dập cho thấy độ bền và hiệu suất được nâng cao.

Các ứng dụng khác

Phổ biến trong các bình chịu áp lực, trục, xi lanh, cam, ốc vít, bộ truyền động và các bộ phận năng lượng chất lỏng.

Sự gia tăng độ cứng bề mặt, khả năng chống mài mòn, độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn làm cho thấm nitơ trở nên lý tưởng cho các bộ phận cơ khí quan trọng.

Thấm Nitơ trong Trang sức và Phụ kiện

Mặc dù ít phổ biến hơn so với sử dụng trong công nghiệp, thấm nitơ có một số ứng dụng thích hợp trong đồ trang sức và phụ kiện thời trang:

Cải thiện bề mặt hoàn thiện

Thấm thấm nitơ có thể mang lại bề mặt nhẵn, đồng nhất trên các thành phần kim loại trang sức như nhẫn, vòng đeo tay và vỏ đồng hồ. Điều này làm giảm nhu cầu đánh bóng thứ cấp.

Tăng cường khả năng chống ăn mòn

Lớp thấm nitơ cải thiện khả năng chống ăn mòn cho các món đồ trang sức tiếp xúc với hơi ẩm như nhẫn, vòng tay, dây chuyền và dây đeo đồng hồ kim loại.

Lớp phủ đen trang trí

Làm đen có chọn lọc các bề mặt khắc bằng cách thấm nitơ vào thép không gỉ hoặc titan có thể tạo ra các hoa văn trang trí và điểm nhấn trên đồ trang sức.

bề mặt cứng

Cải thiện khả năng chống mài mòn cho các mặt hàng trang sức sử dụng nhiều như nhẫn nam và dây đeo đồng hồ kim loại thông qua quá trình làm cứng bề mặt.

Tiết kiệm chi phí

Trong một số kim loại, thấm nitơ có thể mang lại lợi ích về hiệu suất so với lớp mạ hoặc lớp phủ PVD với chi phí thấp hơn.

Nhận thức của khách hàng

Một số thương hiệu cao cấp sử dụng thấm nitơ vì những lợi ích được cảm nhận của công nghệ và lớp hoàn thiện bề mặt.

Mặc dù không phổ biến như trong các ngành sản xuất, thấm nitơ có thể mang lại lợi thế về chức năng và thẩm mỹ cho một số ứng dụng trang sức. Kiểm soát thích hợp là cần thiết để duy trì sự xuất hiện của kim loại đồ trang sức.

So sánh với các quy trình làm cứng bề mặt khác

Thấm nitơ khác với các quy trình làm cứng bề mặt thông thường khác theo một số cách:

Chế hòa khí

Carburizing khuếch tán carbon chứ không phải nitơ vào bề mặt thép. Nó tạo ra một trường hợp martensitic cứng hơn nhưng kém ổn định hơn. Thấm nitơ cung cấp khả năng chống ăn mòn tốt hơn.

thấm nitơ

Nitrocarburizing bổ sung đồng thời cả nitơ và carbon. Vỏ carbonitride kết hợp có thể mang lại lợi thế so với một mình.

Làm cứng cảm ứng

Làm cứng cảm ứng nhanh chóng làm nóng và làm nguội bề mặt thông qua cảm ứng điện từ. Thấm thấm nitơ cung cấp độ sâu trường hợp sâu hơn và ít biến dạng hơn.

Làm cứng ngọn lửa

Với quá trình làm cứng ngọn lửa, mỏ hàn nhiên liệu oxy nhanh chóng làm nóng bề mặt trước khi dập tắt. Thấm nitơ có thể làm cứng các hình học phức tạp hiệu quả hơn.

lắng đọng phim cứng

Các kỹ thuật lắng đọng màng cứng như PVD, CVD và các lớp phủ phun nhiệt tạo ra một lớp phủ gốm mỏng trên bề mặt. Thấm nitơ khuếch tán nitơ vào chính kim loại nền để có độ bám dính và khả năng chống mỏi tốt hơn. Tuy nhiên, lớp phủ có thể cung cấp các lợi ích bổ sung như cách nhiệt hoặc chịu nhiệt độ cao.