Nitrering

En modern datoriserad nitreringsugn

Nitrering är en värmebehandlingsprocess som sprider kväve in i ytan på en metall för att skapa en härdad yta. Dessa processer används oftast på låglegerade stål. De används även på titan , aluminium och molybden .

Typiska applikationer inkluderar kugghjul , vevaxlar , kamaxlar , kamföljare , ventildelar , extruderskruvar , pressgjutningsverktyg , smidesformar , extruderingsformar , skjutvapenkomponenter, injektorer och plastformverktyg .

Processer

Processerna är uppkallade efter det medium som användes för att donera. De tre huvudsakliga metoderna som används är: gasnitrering , saltbadsnitrering och plasmanitrering .

Gasnitrering

Vid gasnitrering är donatorn en kväverik gas, vanligtvis ammoniak (NH 3 ), varför den ibland kallas ammoniaknitrering . När ammoniak kommer i kontakt med det uppvärmda arbetsstycket dissocierar den till kväve och väte. Kvävet diffunderar sedan ut på ytan av materialet och skapar ett nitridskikt. Denna process har funnits i nästan ett sekel, men bara under de senaste decennierna har det gjorts en koncentrerad ansträngning för att undersöka termodynamiken och kinetiken. Den senaste utvecklingen har lett till en process som kan kontrolleras exakt. Tjockleken och faskonstitutionen för de resulterande nitreringsskikten kan väljas och processen optimeras för de speciella egenskaper som krävs.

Fördelarna med gasnitrering jämfört med andra varianter är:

  • Exakt kontroll av kvävets kemiska potential i nitreringsatmosfären genom att kontrollera gasflödet av kväve och syre.
  • Allround-nitreringseffekt (kan vara en nackdel i vissa fall jämfört med plasmanitrering)
  • Stora satsstorlekar möjliga - den begränsande faktorn är ugnsstorlek och gasflöde
  • Med modern datorstyrning av atmosfären kan nitreringsresultaten kontrolleras noggrant
  • Relativt låg utrustningskostnad - speciellt jämfört med plasma

Nackdelarna med gasnitrering är:

  • Reaktionskinetik starkt påverkad av yttillstånd - en oljig yta eller en förorenad med skärvätskor ger dåliga resultat
  • Ytaktivering krävs ibland för att behandla stål med hög kromhalt - jämför förstoftning under plasmanitrering
  • Ammoniak som nitreringsmedium - även om det inte är särskilt giftigt är det skadligt vid inandning i hög koncentration. Dessutom måste försiktighet iakttas vid uppvärmning i närvaro av syre för att minska risken för explosion

Saltbadsnitrering

Vid saltbadnitrering är det kvävedonerande mediet ett kväveinnehållande salt såsom cyanidsalt. Salterna som används donerar också kol till arbetsstyckets yta vilket gör saltbadet till en nitrokarbureringsprocess. Temperaturen som används är typisk för alla nitrokarbureringsprocesser: 550 till 570 °C. Fördelarna med saltnitrering är att den uppnår högre diffusion under samma tidsperiod jämfört med någon annan metod.

Fördelarna med saltnitrering är:

  • Snabb handläggningstid - vanligtvis i storleksordningen 4 timmar eller så att uppnå
  • Enkel användning - värm saltet och arbetsstyckena till temperatur och sänk ned tills varaktigheten har passerat.

Nackdelarna är:

  • Salterna som används är mycket giftiga - Bortskaffande av salter kontrolleras av stränga miljölagar i västländer och har ökat kostnaderna för att använda saltbad. Detta är en av de viktigaste anledningarna till att processen har fallit i onåd under de senaste decennierna.
  • Endast en process möjlig med en viss salttyp - eftersom kvävepotentialen bestäms av saltet är endast en typ av process möjlig

Plasmanitrering

Plasmanitrering, även känd som jonnitrering , plasmajonnitrering eller glödurladdningsnitrering , är en industriell ythärdningsbehandling för metalliska material.

Vid plasmanitrering beror nitreringsmediets reaktivitet inte på temperaturen utan på det gasjoniserade tillståndet. I denna teknik används intensiva elektriska fält för att generera joniserade molekyler av gasen runt ytan som ska nitreras. Sådan mycket aktiv gas med joniserade molekyler kallas plasma , vilket namnger tekniken. Gasen som används för plasmanitrering är vanligtvis rent kväve, eftersom ingen spontan nedbrytning behövs (som är fallet med nitrering med ammoniak). Det finns varma plasmor som kännetecknas av plasmastrålar som används för metallskärning, svetsning , beklädnad eller sprutning. Det finns också kalla plasma, vanligtvis genererade inuti vakuumkammare , vid lågtrycksregimer .

Vanligtvis behandlas stål med fördel med plasmanitrering. Denna process tillåter noggrann kontroll av den nitrerade mikrostrukturen, vilket möjliggör nitrering med eller utan sammansatt skiktbildning. Metalldelars prestanda förbättras inte bara, utan livslängden ökar också, och det gör även töjningsgränsen och utmattningshållfastheten hos de metaller som behandlas. Till exempel kan de mekaniska egenskaperna hos austenitiskt rostfritt stål, såsom motståndskraft mot slitage, ökas avsevärt och ythårdheten hos verktygsstål kan fördubblas.

En plasmanitrerad del är vanligtvis klar att användas. Det kräver ingen bearbetning, polering eller andra efternitreringsoperationer. Processen är alltså användarvänlig, sparar energi eftersom den fungerar snabbast och orsakar liten eller ingen förvrängning.

Denna process uppfanns av Bernhardt Berghaus från Tyskland som senare bosatte sig i Zürich för att undkomma nazistförföljelsen. Efter hans död i slutet av 1960-talet förvärvades processen av Klockner-gruppen och populariserades globalt.

Plasmanitrering kombineras ofta med fysisk ångavsättning (PVD) process och märkt Duplex Treatment, med förbättrade fördelar. Många användare föredrar att ha ett plasmaoxidationssteg kombinerat i den sista fasen av bearbetningen för att producera ett jämnt kolsvart lager av oxider som är motståndskraftigt mot slitage och korrosion.

Eftersom kvävejoner görs tillgängliga genom jonisering, till skillnad från gas- eller saltbad, beror plasmanitreringseffektiviteten inte på temperaturen. Plasmanitrering kan alltså utföras inom ett brett temperaturområde, från 260 °C till mer än 600 °C. Till exempel, vid måttliga temperaturer (som 420 °C), kan rostfria stål nitreras utan att det bildas kromnitridfällningar och därmed bibehålla sina korrosionsbeständighetsegenskaper.

I plasmanitreringsprocesserna är kvävgas (N 2 ) vanligtvis den kvävebärande gasen. Andra gaser som väte eller argon används också. Argon och H 2 kan faktiskt användas före nitreringsprocessen under uppvärmningen av delarna för att rengöra ytorna som ska nitreras. Denna rengöringsprocedur tar effektivt bort oxidskiktet från ytorna och kan ta bort fina lager av lösningsmedel som kan finnas kvar. Detta bidrar också till plasmaanläggningens termiska stabilitet, eftersom värmen som tillförs av plasman redan finns under uppvärmningen och så snart processtemperaturen har uppnåtts börjar den faktiska nitreringen med mindre uppvärmningsförändringar. För nitreringsprocessen tillsätts även H 2 -gas för att hålla ytan fri från oxider. Denna effekt kan observeras genom att analysera ytan på den del som nitreras (se till exempel ).

Material för nitrering

Exempel på lätt nitrederbara stål inkluderar SAE 4100 , 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 och 9800-serien, brittiska flygplanskvalitetsstålkvaliteter BS 4S 106, BS 3S 132, 9043M, 905M, 905M, 905M, H13 och P20 till exempel) och vissa gjutjärn. Helst bör stål för nitrering vara i härdat och anlöpt tillstånd, vilket kräver att nitrering sker vid en lägre temperatur än den senaste anlöpningstemperaturen. En finsvarvad eller slipad ytfinish är bäst. Minimala mängder material bör avlägsnas efter nitrering för att bevara ythårdheten.

Nitreringslegeringar är legerade stål med nitridbildande element som aluminium, krom , molybden och titan.

Under 2015 användes nitrering för att generera en unik duplex- mikrostruktur i en järn-manganlegering ( martensit - austenit , austenit - ferrit ), känd för att vara associerad med starkt förbättrade mekaniska egenskaper.

Historia

En systematisk undersökning av kvävets inverkan på stålets ytegenskaper påbörjades på 1920-talet. Undersökningar av gasnitrering påbörjades oberoende i både Tyskland och Amerika. Processen möttes med entusiasm i Tyskland och flera stålsorter utvecklades med nitrering i åtanke: de så kallade nitreringsstålen. Mottagandet i Amerika var mindre imponerande. Med så liten efterfrågan var processen till stor del bortglömd i USA. Efter andra världskriget återinfördes processen från Europa. Mycket forskning har ägt rum under de senaste decennierna för att förstå termodynamiken och kinetiken för de involverade reaktionerna.

Se även

Vidare läsning

externa länkar


  1. ^ Pye, David. "Värmebehandlingsbiblioteket" . pye-d.com . Arkiverad från originalet 2017-01-11 . Hämtad 2017-01-10 .
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nitriding&oldid=1134390168 "