WikiDer > Азотирование - Википедия

Nitriding - Wikipedia
Современная компьютеризированная печь азотирования

Азотирование это термическая обработка процесс, который распространяется азот на поверхность металл создать закаленный поверхность. Эти процессы чаще всего используются для обработки высокоуглеродистых низколегированных сталей. Они также используются для обработки средне- и высокоуглеродистой стали, титан, алюминий и молибден. В 2015 году азотирование было использовано для создания уникального дуплексного микроструктура (Мартенсит-Аустенит, Аустенит-феррит), что, как известно, связано с сильно улучшенными механическими свойствами.[1]

Типичные приложения включают шестерни, коленчатые валы, распредвалы, кулачковые подписчики, клапан части экструдер винты, литье под давлением инструменты, ковка умирает экструзия штампы, детали огнестрельного оружия, форсунки и пластик-плесень инструменты.[2]

Процессы

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

Газовое азотирование

При газовом азотировании донором является газ, богатый азотом, обычно аммиак (NH3), поэтому его иногда называют азотирование аммиака.[3] Когда аммиак контактирует с нагретой заготовкой, он распадается на азот и водород. Затем азот диффундирует на поверхность материала, образуя слой нитрида. 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 управления расходом 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 за атмосферой результаты азотирования можно точно контролировать.
  • Относительно низкая 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 солевой ванне донорной средой для азота является азотсодержащая соль, такая как цианидная соль. Используемые соли также отдают углерод поверхности детали, превращая 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 контролируется строгими законами об охране окружающей среды в западных странах, что привело к увеличению затрат на использование солевых ванн. Это одна из самых 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 же азотирование тлеющим разрядом, это промышленная обработка поверхности металлических материалов.

При плазменном азотировании реакционная способность азотирующей среды обусловлена ​​не температурой, а состоянием 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 плазма, называя технику. 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, сварка, облицовка или опрыскивание. Есть также холодная плазма, обычно генерируемая внутри вакуум камеры, при низком давление режимы.

Обычно стали выгодно обрабатывать плазменным азотированием. Этот процесс позволяет тщательно контролировать азотированную микроструктуру, обеспечивая азотирование с образованием слоя соединения 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 увеличены, а твердость поверхности инструментальных сталей может быть увеличена вдвое.[4][5]

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 Германия кто позже поселился в Цюрих чтобы избежать преследований нацистов. После его смерти в конце 1960-х процесс был приобретен Группа Клокнера и популяризируется во всем мире.

Плазменное азотирование часто сочетается с физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и помечены как Duplex Treatment с дополнительными преимуществами. Многие пользователи предпочитают объединять стадию плазменного окисления на последнем этапе 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.[5] Например, при умеренных температурах (например, 420 ° C) нержавеющие стали можно азотировать без образования нитрид хрома осаждает и, следовательно, сохраняет свои свойства коррозионной стойкости.[6]

В процессах плазменного азотирования газообразный азот (N2) обычно является азотным газом. Также используются другие газы, такие как водород или аргон. Действительно, Аргон и H2 может использоваться перед процессом азотирования при нагреве 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. Для процесса азотирования H2 Также добавляется газ, чтобы очистить поверхность от оксидов. Этот эффект можно наблюдать, анализируя поверхность детали под азотированием (см., Например, [7]).

Материалы для азотирования

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

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

История

Систематические исследования влияния азота на поверхностные свойства стали начались в 1920-х годах. Исследование газового азотирования началось 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

  1. ^ Meka, S.R .; Chauhan, A .; Steiner, T .; Bischoff, E .; Ghosh, P.K .; Миттемейер, Э.Дж. (2015). «Создание дуплексных микроструктур путем азотирования; азотирование сплава Fe – Mn на основе железа». Материаловедение и технологии: 1743284715Y.000. Дои:10.1179 / 1743284715Y.0000000098.
  2. ^ Кунст, Гельмут; Хаазе, Бриджит; Маллой, Джеймс С.; Виттель, Клаус; Нестлер, Монция К. «Металлы, обработка поверхности». Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Вайнхайм: Wiley-VCH.
  3. ^ Ионное азотирование и нитроцементация спеченных деталей из PM, 7 октября 2004 г.
  4. ^ Menthe, E; Булак, А; Olfe, J; Циммерманн, А; Ри, KT (2000). «Улучшение механических свойств аустенитной нержавеющей стали после плазменного азотирования». Технология поверхностей и покрытий. 133 (1): 259. Дои:10.1016 / S0257-8972 (00) 00930-0.
  5. ^ а б Загонель, Л; Фигероа, С; Droppajr, R; Альварес, Ф (2006). «Влияние температуры процесса на микроструктуру стали и упрочнение при импульсном плазменном азотировании». Технология поверхностей и покрытий. 201 (1–2): 452. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2005.11.137.
  6. ^ Лариш, Б; Бруски, У; Шпионы, HJ (1999). «Плазменное азотирование нержавеющих сталей при низких температурах». Технология поверхностей и покрытий. 116: 205. Дои:10.1016 / S0257-8972 (99) 00084-5.
  7. ^ Загонель, Л; Фигероа, С; Альварес, Ф (2005). «Исследование методом фотоэмиссионной электронной спектроскопии in situ стали AISI-H13, имплантированной ионами азота». Технология поверхностей и покрытий. 200 (7): 2566. arXiv:1712.01483. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2004.10.126.

дальнейшее чтение

[1]

внешняя ссылка


  1. ^ Пай, Дэвид. «Библиотека термической обработки». pye-d.com. Архивировано из оригинал на 2017-01-11. Получено 2017-01-10.