Азотирование - Nitriding

Современная компьютеризированная печь азотирования

Азотирование является термической обработкой процесса , который диффундирует азот в поверхность металла , чтобы создать закалено поверхность. Эти процессы чаще всего используются для низколегированных сталей. Они также используются для обработки титана , алюминия и молибдена .

Типичные области применения включают шестерни , коленчатые валы , распределительные валы , толкатели кулачков , детали клапанов , винты экструдеров , инструменты для литья под давлением , штампы для штамповки, штампы для экструзии , компоненты огнестрельного оружия, инжекторы и инструменты для формования пластмассовых изделий .

Процессы

Процессы названы в честь средства, используемого для пожертвования. Применяются три основных метода: газовое азотирование , азотирование в соляной ванне и плазменное азотирование .

Газовое азотирование

При газовом азотировании донором является газ, богатый азотом, обычно аммиак (NH 3 ), поэтому его иногда называют азотированием аммиака . Когда аммиак контактирует с нагретой заготовкой, он диссоциирует на азот и водород. Затем азот диффундирует на поверхность материала, образуя нитридный слой. Этот процесс существует уже почти столетие, хотя только в последние несколько десятилетий были сосредоточены усилия по исследованию термодинамики и кинетики. Последние разработки привели к процессу, которым можно точно управлять. Толщина и фазовый состав получаемых азотирующих слоев могут быть выбраны, а процесс оптимизирован с учетом конкретных требуемых свойств.

Преимущества газового азотирования перед другими вариантами:

  • Точный контроль химического потенциала азота в азотирующей атмосфере за счет регулирования расхода азота и кислорода.
  • Эффект всестороннего азотирования (в некоторых случаях может быть недостатком по сравнению с плазменным азотированием)
  • Возможны большие объемы партии - ограничивающим фактором являются размер печи и расход газа
  • Благодаря современному компьютерному контролю атмосферы можно точно контролировать результаты азотирования.
  • Относительно невысокая стоимость оборудования - особенно по сравнению с плазмой

К недостаткам газового азотирования можно отнести:

  • На кинетику реакции сильно влияет состояние поверхности - маслянистая поверхность или поверхность, загрязненная смазочно-охлаждающей жидкостью, дадут плохие результаты
  • Активация поверхности иногда требуется для обработки сталей с высоким содержанием хрома - сравните напыление при плазменном азотировании.
  • Аммиак в качестве азотирующей среды - хотя и не особенно токсичен, он может быть вредным при вдыхании в больших количествах. Также необходимо соблюдать осторожность при нагревании в присутствии кислорода, чтобы снизить риск взрыва.

Азотирование в соляной ванне

При азотировании в соляной ванне донорной средой азота является азотсодержащая соль, такая как цианидная соль. Используемые соли также отдают углерод поверхности детали, что превращает солевую ванну в процесс нитроцементации. Используемая температура типична для всех процессов нитроцементации: от 550 до 570 ° C. Преимущество солевого азотирования заключается в том, что он обеспечивает более высокую диффузию за тот же период времени по сравнению с любым другим методом.

Преимущества солевого азотирования:

  • Быстрое время обработки - обычно порядка 4 часов или около того для достижения
  • Простое управление - нагрейте соль и заготовки до температуры и погрузите в воду, пока не истечет время.

К недостаткам можно отнести:

  • Используемые соли очень токсичны - утилизация солей регулируется строгими законами об охране окружающей среды в западных странах, что привело к увеличению затрат, связанных с использованием солевых ванн. Это одна из наиболее важных причин, по которой этот процесс вышел из моды в последние десятилетия.
  • Возможен только один процесс с определенным типом соли - поскольку азотный потенциал задается солью, возможен только один тип процесса

Плазменное азотирование

Плазменное азотирование, также известное как ионное азотирование , плазменное ионное азотирование или азотирование тлеющим разрядом , представляет собой промышленную обработку поверхности металлических материалов.

При плазменном азотировании реакционная способность азотирующей среды зависит не от температуры, а от состояния ионизации газа. В этом методе интенсивные электрические поля используются для генерации ионизированных молекул газа вокруг поверхности, подлежащей азотированию. Такой высокоактивный газ с ионизированными молекулами называется плазмой по названию техники. Газ, используемый для плазменного азотирования, обычно представляет собой чистый азот, поскольку не требуется самопроизвольного разложения (как в случае газового азотирования с аммиаком). Есть горячая плазма, типичная для плазменных струй, используемых для резки металла, сварки , плакирования или напыления. Также существует холодная плазма, обычно генерируемая внутри вакуумных камер при режимах низкого давления .

Обычно стали выгодно обрабатывать плазменным азотированием. Этот процесс позволяет тщательно контролировать азотированную микроструктуру, обеспечивая азотирование с образованием сложного слоя или без него. Увеличиваются не только характеристики металлических деталей, но и срок службы, а также предел деформации и усталостная прочность обрабатываемых металлов. Например, механические свойства аустенитной нержавеющей стали, такие как износостойкость, могут быть значительно улучшены, а поверхностная твердость инструментальных сталей может быть увеличена вдвое.

Деталь, азотированная плазмой, обычно готова к использованию. Он не требует механической обработки, полировки или каких-либо других операций после азотирования. Таким образом, этот процесс удобен для пользователя, экономит энергию, поскольку работает быстрее всего и вызывает незначительные искажения или совсем не вызывает их.

Этот процесс был изобретен доктором Бернхардтом Бергхаусом из Германии, который позже поселился в Цюрихе, чтобы избежать преследований нацистов. После его смерти в конце 1960-х процесс был приобретен группой Клокнера и популяризирован во всем мире.

Плазменное азотирование часто сочетается с процессом физического осаждения из паровой фазы (PVD) и называется дуплексной обработкой, что дает дополнительные преимущества. Многие пользователи предпочитают объединять стадию плазменного окисления на последней стадии обработки для получения гладкого, как уголь, слоя оксидов, устойчивого к износу и коррозии.

Поскольку ионы азота становятся доступными в результате ионизации, в отличие от газовой или солевой ванны, эффективность плазменного азотирования не зависит от температуры. Таким образом, плазменное азотирование можно проводить в широком диапазоне температур от 260 ° C до более 600 ° C. Например, при умеренных температурах (например, 420 ° C) нержавеющие стали можно азотировать без образования осадков нитрида хрома и, следовательно, сохранения их свойств коррозионной стойкости.

В процессах плазменного азотирования газообразный азот (N 2 ) обычно является газом, несущим азот. Также используются другие газы, такие как водород или аргон. Действительно, аргон и H 2 можно использовать перед процессом азотирования во время нагрева деталей для очистки поверхностей, подлежащих азотированию. Эта процедура очистки эффективно удаляет оксидный слой с поверхностей и может удалить тонкие слои растворителей, которые могли остаться. Это также способствует термической стабильности плазменной установки, поскольку тепло, добавляемое плазмой, уже присутствует во время разогрева и, следовательно, как только температура процесса достигается, начинается фактическое азотирование с небольшими изменениями нагрева. В процессе азотирования также добавляется газообразный H 2, чтобы очистить поверхность от оксидов. Этот эффект можно наблюдать, анализируя поверхность детали, подвергаемой азотированию (см., Например).

Материалы для азотирования

Примеры легко азотируемых сталей включают серии SAE 4100 , 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 и 9800, британские марки авиационной стали BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), нержавеющие стали, некоторые инструментальные стали ( H13 и P20, например) и некоторые чугуны. В идеале стали для азотирования должны быть в закаленном и отпущенном состоянии, при этом азотирование должно происходить при более низкой температуре, чем температура последнего отпуска. Лучше всего будет обработана точеная или отшлифованная поверхность. После азотирования необходимо удалить минимальное количество материала, чтобы сохранить твердость поверхности.

Азотирующие сплавы - это легированные стали с нитридообразующими элементами, такими как алюминий, хром , молибден и титан.

В 2015 году, азотирование было использовано для генерирования уникальной дуплексной микроструктуры в железе-марганце сплава ( мартенсит - аустенит , аустенит - феррит ), как известно, связанно с сильно улучшенными механическими свойствами.

История

Систематические исследования влияния азота на поверхностные свойства стали начались в 20-х годах прошлого века. Исследования газового азотирования начались независимо как в Германии, так и в Америке. В Германии этот процесс был встречен с энтузиазмом, и с учетом азотирования было разработано несколько марок стали: так называемые стали для азотирования. Прием в Америке был менее впечатляющим. При таком небольшом спросе об этом процессе в США в значительной степени забыли. После Второй мировой войны этот процесс был повторно введен из Европы. В последние десятилетия было проведено много исследований для понимания термодинамики и кинетики соответствующих реакций.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки


  1. ↑ Пай, Дэвид. «Библиотека термической обработки» . pye-d.com . Архивировано из оригинала на 2017-01-11 . Проверено 10 января 2017 .