Co je nitridace plynu?
Plynová nitridace je termochemický proces povrchového kalení, který byl v Německu zaveden v roce 1923 a je stále jednou z nejpoužívanějších metod výroby povrchu odolného proti opotřebení- na ocelových součástech. Díly se vloží do utěsněné pece a zavede se plynný čpavek, kde se při teplotě disociuje na atomární dusík a vodík. Dusík difunduje do povrchu oceli a tvoří nitridy s legujícími prvky již přítomnými v materiálu. Protože kalení závisí na obsahu slitiny oceli a ne na kroku kalení, proces se provádí při relativně nízké teplotě, deformace je malá a po nitridaci není potřeba žádné další tepelné zpracování.
Ošetření se běžně aplikuje na součásti, které musí odolávat kluznému opotřebení, erozi nebo únavě při zachování pevného jádra, jako jsou ozubená kola, hřídele, vytlačovací šrouby a válce, součásti ventilů a součásti matric.
Procesní parametry
| Parametr | Typický rozsah |
|---|---|
| Teplota | 500 až 550 stupňů Celsia |
| Atmosféra | Amoniak, někdy zředěný disociovaným amoniakem nebo dusíkem |
| Trvání | Asi 20 až 100 hodin, v závislosti na požadované hloubce pouzdra |
| Výsledná vrstva | Složená vrstva o tloušťce zhruba 5 až 25 mikrometrů nad difúzní zónou |
Účinnost procesu závisí na tom, kolik amoniaku skutečně disociuje na povrchu. Vyšší průtoky plynu snižují stupeň disociace, zatímco nižší průtoky jej zvyšují; vyšší teploty také zvyšují rychlost disociace a snižují ji při nižších teplotách. Protože pec dosahuje své pracovní teploty pomalu, může se potenciál dusíku na začátku cyklu výrazně lišit od hodnoty na konci a disociace čpavku je proto během zpracování sledována a řízena. K omezení tloušťky vrstvy křehké směsi se používá dvou-stupňový cyklus s vyšším potenciálem dusíku na začátku a nižším poté.
Struktura a vlastnosti vrstev
Nitridací vzniká charakteristická dvojitá vrstva. Na povrchu je složená nebo bílá vrstva skládající se z fází nitridu železa, která je extrémně tvrdá, ale také křehká. Pod ní leží difúzní zóna, ve které se rozpouští a vysráží dusík ve formě jemných nitridů slitiny a která poskytuje povrchu podporu- proti únavě a zatížení. Na nitridačních ocelích je tvrdost složené vrstvy typicky v rozmezí 1000 až 1200 HV a hloubka pouzdra je specifikována podle použití, běžně v oblasti 0,1 mm až 0,6 mm.
Křehkost složené vrstvy je skutečným omezením. Silná bílá vrstva má tendenci se při nárazovém zatížení odlupovat a je obtížné ji brousit a povrch zdrsní během dlouhého zpracování. Tam, kde je součást vystavena nárazovému zatížení, je vrstva směsi obvykle udržována tenká nebo po ošetření zcela odstraněna, přičemž je zachována pouze difúzní zóna.
Které oceli lze nitridovat?
Nitridace závisí na přítomnosti prvků tvořících nitrid-v oceli. Hliník, chrom, molybden a vanad jsou důležité a druhy, které je obsahují, reagují silně. Hliníkové-nitridační oceli, jako jsou chrom-molybdenové-třídy hliníku, na které se vztahuje GB/T 3077, jsou klasickou volbou a odpovídající japonské specifikace dodávek zahrnují hliník-chrom-molybdenovou třídu jakosti často nitridované oceli{9} chrom nitridované pro odolnost proti opotřebení.
Před nitridací se součást normálně kalí a popouští, nebo se kalí a houževnatí, takže jádro má požadované mechanické vlastnosti. Protože hliník, chrom a molybden zvyšují transformační teplotu, je teplota kalení vyšší než u obyčejné konstrukční oceli a také se zvyšuje teplota popouštění, takže jádro nezměkne během dlouhého udržování na nitridační teplotě. Druhým důvodem předchozího tepelného zpracování je popouštěcí křehkost: dlouhodobé zahřívání při nitridační teplotě může zkřehnout některé legované oceli a podle toho se volí podmínky popouštění.
Aplikace a praktické limity
Vytlačovací šneky a válce pro vstřikovací lisy na plasty, kde se podávací část a lopatky šneku opotřebovávají o vrtání válce
Ozubená kola, šnekové hřídele a drážkované součásti, které vyžadují tvrdý povrch s houževnatým jádrem
Součásti zápustek a forem, vodicí pouzdra a vyhazovací kolíky
Vložky válců, vřetena ventilů a části čerpadel, kde je prospěšná povrchová vrstva odolná proti korozi-
Hlavními nevýhodami jsou dlouhá doba cyklu a výsledné náklady, nízká účinnost dusíku v čpavkové atmosféře, drsný povrch, který vzniká při dlouhém zpracování, a obtížnost následného opracování vytvrzené vrstvy. Přídavek na broušení se proto musí naplánovat před nitridací a oblasti, které musí zůstat měkké, jako jsou závity a dosedací průměry, jsou maskovány nebo chráněny.
FAQ
Otázka: Jaká teplota se používá pro nitridaci plynu?
Plynová nitridace se běžně provádí mezi 500 a 550 stupni Celsia v atmosféře amoniaku s dobou trvání nastavenou podle požadované hloubky pouzdra.
Otázka: Proč nitridace nevyžaduje kalení?
Vytvrzování pochází z precipitace nitridu v povrchové vrstvě, která se tvoří během samotného zpracování, takže nedochází k žádnému rychlému ochlazování, a tudíž k velmi malé deformaci.
Otázka: Jaký je rozdíl mezi složenou vrstvou a difuzní zónou?
Složená vrstva je tenká, velmi tvrdá a křehká povrchová vrstva nitridů železa; difúzní zóna pod ní obsahuje rozpuštěný dusík a jemné nitridy slitin a podporuje povrchovou vrstvu.
Otázka: Které oceli jsou vhodné pro nitridaci?
Oceli obsahující prvky tvořící nitrid-, jako je hliník, chrom, molybden a vanad, včetně chromových-molybdenových{2}}tříd hliníku a určitých ocelí pro tváření za tepla, nejlépe reagují na zpracování.
Otázka: Proč je ocel před nitridací kalena a temperována?
Dodat jádru požadovanou pevnost a houževnatost a zajistit, aby nezměklo nebo nezkřehlo během dlouhého držení při nitridační teplotě.
Otázka: Jaká jsou hlavní omezení plynové nitridace?
Dlouhá doba cyklu, relativně vysoká cena, křehká povrchová vrstva, která se obtížně brousí, a zdrsněný povrch po delším ošetření.
