Nitriding - Nitriding

En moderne datastyrt nitreringovn

Nitrering er en varmebehandlingsprosess som diffunderer nitrogen inn i overflaten av et metall for å skape en saksherdet overflate. Disse prosessene brukes oftest på lavlegerte stål. De brukes også på titan , aluminium og molybden .

Typiske bruksområder omfatter tannhjul , veivaksler , kamaksler , kamfølgere , ventildeler, ekstruder skruer, dør-avstøpning verktøy, smiing dør, ekstrudering dør, våpendeler, injektorer og plast- støpeverktøy.

Prosesser

Prosessene er oppkalt etter mediet som ble brukt til å donere. De tre viktigste metodene som brukes er: gassnitrering , saltbadnitrering og plasmanitrering .

Gassnitrering

I gassnitrering er giveren en nitrogenrik gass, vanligvis ammoniakk (NH 3 ), og det er derfor den noen ganger er kjent som ammoniakknitrering . Når ammoniakk kommer i kontakt med det oppvarmede arbeidsstykket, dissosieres det til nitrogen og hydrogen. Nitrogen diffunderer deretter på overflaten av materialet og skaper et nitridlag. Denne prosessen har eksistert i nesten et århundre, men bare de siste tiårene har det vært en konsentrert innsats for å undersøke den involverte termodynamikken og kinetikken. Nyere utvikling har ført til en prosess som kan kontrolleres nøyaktig. Tykkelsen og fasekonstruksjonen av de resulterende nitreringslagene kan velges og prosessen optimaliseres for de spesielle egenskapene som kreves.

Fordelene med gassnitrering i forhold til andre varianter er:

  • Nøyaktig kontroll av kjemisk potensial for nitrogen i nitreringsatmosfæren ved å kontrollere gassstrømningshastigheten av nitrogen og oksygen.
  • Rundt nitrerende effekt (kan i noen tilfeller være en ulempe sammenlignet med nitrering i plasma)
  • Store batchstørrelser mulig - den begrensende faktoren er ovnstørrelse og gassstrøm
  • Med moderne datamaskinkontroll av atmosfæren kan nitreringsresultatene kontrolleres nøye
  • Relativt lave utstyrskostnader - spesielt sammenlignet med plasma

Ulempene med gassnitrering er:

  • Reaksjonskinetikk sterkt påvirket av overflatetilstand - en fet overflate eller en som er forurenset med skjærevæsker, vil gi dårlige resultater
  • Aktivering av overflaten er noen ganger nødvendig for å behandle stål med høyt krominnhold - sammenlign sputtering under plasmainitrering
  • Ammoniakk som nitrerende medium - men ikke spesielt giftig, men det kan være skadelig ved innånding i store mengder. Det må også utvises forsiktighet ved oppvarming i nærvær av oksygen for å redusere risikoen for eksplosjon

Saltbad nitrering

I nitrering av saltbad er det nitrogendonasjonsmediet et nitrogenholdig salt som cyanidsalt. Saltene som brukes, donerer også karbon til arbeidsstykkets overflate, noe som gjør saltbad til en nitrocarburiseringsprosess. Den anvendte temperaturen er typisk for alle nitrokarburiseringsprosesser: 550 til 570 ° C. Fordelene med saltnitrering er at det oppnår høyere diffusjon i samme tidsperiode sammenlignet med andre metoder.

Fordelene med saltnitrering er:

  • Rask behandlingstid - vanligvis i størrelsesorden 4 timer eller så for å oppnå
  • Enkel betjening - varm saltet og emnene opp til temperatur og senk dem ned til varigheten har utløpt.

Ulempene er:

  • Saltene som brukes er svært giftige - Avhending av salter kontrolleres av strenge miljølover i vestlige land og har økt kostnadene ved bruk av saltbad. Dette er en av de viktigste grunnene til at prosessen har falt i favør de siste tiårene.
  • Bare en prosess mulig med en bestemt salttype - siden nitrogenpotensialet er satt av saltet, er bare en type prosess mulig

Plasmanitrering

Plasmanitrering, også kjent som ionnitrering , plasmaionnitrering eller glødeavladningsnitrering , er en industriell overflateherdebehandling for metalliske materialer.

I nitrering av plasma skyldes reaktiviteten til nitreringsmediet ikke temperaturen, men gassionisert tilstand. I denne teknikken brukes intense elektriske felt for å generere ioniserte molekyler av gassen rundt overflaten som skal nitreres. Slike høyt aktive gasser med ioniserte molekyler kalles plasma , og navngir teknikken. Gassen som brukes til plasmanitridering er vanligvis rent nitrogen, siden det ikke er behov for spontan nedbrytning (som det er tilfelle med gassnitrering med ammoniakk). Det er varme plasmer typisert av plasmastråler som brukes til skjæring, sveising , kledning eller sprøyting av metall . Det er også kalde plasmaer, vanligvis generert i vakuumkamre , ved lavtrykksregimer .

Vanligvis behandles stål gunstig med nitrering i plasma. Denne prosessen tillater nærkontroll av den nitrerte mikrostrukturen, og tillater nitrering med eller uten dannelse av sammensatt lag. Ikke bare forbedres ytelsen til metalldeler, men levetiden øker også, og det øker belastningsgrensen og utmattelsesstyrken til metallene som behandles. For eksempel kan de mekaniske egenskapene til austenittisk rustfritt stål som slitestyrke økes betydelig og overflatehardheten til verktøystål kan dobles.

En plasmanitrert del er vanligvis klar til bruk. Det krever ingen bearbeiding, polering eller andre operasjoner etter nitrering. Dermed er prosessen brukervennlig, sparer energi siden den fungerer raskest og forårsaker liten eller ingen forvrengning.

Denne prosessen ble oppfunnet av Dr. Bernhardt Berghaus fra Tyskland som senere bosatte seg i Zürich for å unnslippe naziforfølgelse. Etter hans død på slutten av 1960-tallet ble prosessen anskaffet av Klockner-gruppen og popularisert globalt.

Plasmanitrering er ofte kombinert med fysisk fordampning (PVD) -prosess og merket tosidig behandling, med forbedrede fordeler. Mange brukere foretrekker å ha et plasmaoksidasjonstrinn kombinert i den siste behandlingsfasen for å produsere et glatt strålesort av oksider som er motstandsdyktig mot slitasje og korrosjon.

Siden nitrogenioner blir gjort tilgjengelig ved ionisering, annerledes enn gass eller saltbad, avhenger ikke plasmainitreringseffektiviteten av temperaturen. Plasmanitrering kan således utføres i et bredt temperaturområde, fra 260 ° C til mer enn 600 ° C. For eksempel, ved moderate temperaturer (som 420 ° C), kan rustfritt stål nitreres uten dannelse av kromnitridfelling og dermed opprettholde deres korrosjonsbestandighetsegenskaper.

I plasma nitrering prosesser, nitrogengass (N 2 ) er vanligvis den nitrogengass som bærer. Andre gasser som hydrogen eller argon brukes også. Faktisk Argon og H- 2 kan anvendes før nitrering prosessen under oppvarmingen av delene for å rense overflatene som skal nitrideres. Denne rengjøringsprosedyren fjerner effektivt oksidlaget fra overflater og kan fjerne fine lag med løsemidler som kan være igjen. Dette hjelper også plasmaanleggets termiske stabilitet, siden varmen som tilsettes av plasmaet allerede er tilstede under oppvarmingen, og når prosesstemperaturen er nådd, begynner den faktiske nitrering med mindre oppvarmingsendringer. For nitreringen prosess H 2 gass tilsettes også for å holde overflaten fri for oksyder. Denne effekten kan observeres ved å analysere overflaten til delen under nitrering (se for eksempel).

Materialer for nitrering

Eksempler på lett nitridable stål omfatter SAE 4100 , 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 og 9800-serien, UK luftfartøy kvalitet stålkvaliteter BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), rustfritt stål, enkelte verktøystål ( H13 og P20 for eksempel) og visse støpejern. Ideelt sett bør stål for nitrering være i herdet og herdet tilstand, og krever at nitrering skjer ved en lavere temperatur enn den siste tempereringstemperaturen. En finvendt eller bakken overflate er best. Minimale mengder materiale bør fjernes etter nitrering for å bevare overflatehardheten.

Nitridlegeringer er legeringsstål med nitriddannende elementer som aluminium, krom , molybden og titan.

I 2015 ble nitridering brukt til å generere en unik tosidig mikrostruktur i en jern-manganlegering ( martensitt - austenitt , austenitt - ferrit ), kjent for å være assosiert med sterkt forbedrede mekaniske egenskaper.

Historie

Systematisk undersøkelse av effekten av nitrogen på overflateegenskapene til stål begynte på 1920-tallet. Undersøkelse av gassnitrering startet uavhengig i både Tyskland og Amerika. Prosessen ble møtt med entusiasme i Tyskland, og flere stålkvaliteter ble utviklet med nitrering i tankene: de såkalte nitreringstålene. Mottakelsen i Amerika var mindre imponerende. Med så liten etterspørsel ble prosessen stort sett glemt i USA. Etter andre verdenskrig ble prosessen introdusert fra Europa. Mye forskning har funnet sted de siste tiårene for å forstå termodynamikken og kinetikken til de involverte reaksjonene.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker


  1. ^ Pye, David. "Varmebehandlingsbiblioteket" . pye-d.com . Arkivert fra originalen 11. januar 2017 . Hentet 10.10.2017 .