Nitrocementace / Nitrocementace oceli – proces, složená vrstva, vlastnosti a použití

Nitrocementace, označovaný také jako nitrokarburace, je proces termochemické zpracování spočívající v současném nasycení povrchové vrstvy materiálu, primárně dusík a v menší míře uhlíTento proces se používá především ke zvýšení povrchové odolnosti proti opotřebení, zadření a kontaktní únavě a – ve vhodně vyrobených variantách – ke zlepšení odolnosti proti korozi.
V průmyslové praxi má zvláštní význam feritická nitrocementace, FNC, prováděného při teplotě, při které ocel zůstává v podstatě ve feritickém rozmezí. Tím se proces odlišuje od karbonitridace, obvykle prováděné v austenitické oblasti a dokončené kalení.
Během nitrocementace dusík i uhlí difundují do povrchové vrstvy oceli a podílejí se na tvorbě charakteristické struktury, obvykle sestávající z vrstvy sloučenin a ten, který se nachází pod ním difúzní zóna.
Proces lze provádět plynovými, lázeňskými nebo plazmovými metodami. Volba technologie závisí na typu materiálu, geometrii součásti, požadované tloušťce a struktuře vrstvy a očekávaných výkonnostních vlastnostech.

Nitrocementace, nitrocementace a nitronitridace – rozdíly v názvosloví

Podmínky nitrocementace i nitrokarburace označují proces, při kterém je dominantní složka zavedená do povrchové vrstvy dusík, je uhlí působí jako další složka ovlivňující mimo jiné tvorbu vrstvy sloučenin.
Tento proces by neměl být ztotožňován s karbonitridace.

Karbonitridace je proto proces bližší nitridaci než cementaci. Zavedení dalšího uhlíku však může změnit kinetiku tvorby a složení vrstvy sloučeniny.

Co je nitrocementace?

Během procesu je ocelový povrch vystaven prostředí, které poskytuje aktivní dusík i uhlí.
Atomy těchto prvků se adsorbují na povrchu a poté difuzí pronikají do materiálu.
V důsledku tohoto procesu se vytvoří dvě hlavní zóny:

• vrstva sloučenin umístěné přímo na povrchu,
• difúzní zóna nachází se pod vrstvou sloučenin.

Struktura obou zón závisí na chemickém složení oceli, teplotě, čase, dusíkovém a uhlíkovém potenciálu atmosféry a použité technologii.

Vrstva sloučenin po nitrocementaci

Tenká vrstva se vytvoří přímo na povrchu vrstva sloučenin železa s dusíkem a uhlíkemV odborné literatuře se tento termín používá také složená vrstva.
V závislosti na parametrech procesu může vrstva obsahovat hlavně následující fáze:

• ε – Fe_2-3(N,C),
• γ′ – Fe₄N.

Při nitrocementaci se často usiluje o získání vrstvy s vysokým podílem fáze ε, protože přítomnost uhlí podporuje jeho stabilizaci.
Složená vrstva je primárně zodpovědná za vysokou odolnost povrchu vůči adheznímu opotřebení a oděru. Její vlastnosti však nezávisí jen na tloušťce, ale také na fázovém složení, kompaktnosti a pórovitosti.
Silnější vrstva směsí neznamená vždy lepší otěruvzdornou vrstvu. Nadměrná tloušťka nebo nepříznivá pórovitost může zvýšit křehkost povrchu a zhoršit chování součásti při určitých typech zatížení.

Difúzní zóna

Pod vrstvou sloučenin se nachází difúzní zóna.
dusík Proniká mnohem hlouběji, než je tloušťka samotné vrstvy sloučeniny. Může existovat v pevném roztoku a tvořit jemné nitridy a karbonitridy s prvky s vysokou afinitou k dusíku.
Zvláště důležité jsou:

• chrom Cr,
• hliník Al,
• molybden Mo,
• vanad V,
• titan Ti.

Může se zvýšit tvorba jemných nitridových sraženin tvrdost difuzní zóna a ovlivňují rozložení zbytkových napětí.
Difuzní zóna hraje důležitou roli ve zvyšování odolnosti proti únavě a v podpoře tenké, velmi tvrdé povrchové vrstvy.

Struktura vrstvy po nitrocementaci

Teplota nitrocementace

Feritová nitrocementace se nejčastěji provádí v rozmezí přibližně 500-600 ° CPřesná teplota závisí na materiálu, technologii a požadovaných vlastnostech vrstvy.
Běžné průmyslové teploty se nacházejí v blízkosti 570-590 ° C.
Proces se provádí pod transformační teplotou A₁, díky čemuž zůstává ocelová matrice v podstatě feritická a klasická austenitizace charakteristická pro kalení.
To má významné technologické důsledky. Nižší procesní teplota snižuje rozměrové změny a riziko deformace ve srovnání s procesy vyžadujícími austenitizaci a následné kalení.

Typické parametry nitrokarburace

Uvedené rozsahy jsou orientační. Vhodný cyklus musí být zvolen na základě jakosti oceli, předchozího zpracování, geometrie součásti a požadovaných charakteristik vrstvy.

Plynová nitrocementace

Plynová nitrocementace se provádí v peci v kontrolované atmosféře, která zajišťuje dusík i uhlí.
Jedním ze zdrojů dusíku může být amoniak, zatímco uhlíková složka může pocházet z vhodně vybraných plynů obsahujících uhlík.
Řízení složení atmosféry, teploty a času umožňuje řídit kinetiku růstu vrstvy sloučeniny a difuzní zóny.
Mezi výhody plynové metody patří možnost provádění procesu pro velký počet prvků a relativně přesná regulace parametrů atmosféry.

Nitrocementace v lázni

Nitrocementace v lázni se provádí v lázních s tekutou solí, což umožňuje dodávání aktivního dusíku a uhlíku na povrch ošetřovaného materiálu.
Metoda umožňuje velmi intenzivní výměnu tepla a rovnoměrný vliv prostředí na povrch prvků se složitým tvarem.
Po samotném kroku nitrocementace lze provést další chlazení, leštění a oxidaci.
Technologie koupání vyžaduje přísnou kontrolu složení lázně a vhodné technologické a environmentální postupy.

Plazmová nitrocementace

Plazmová nitrokarburace využívá doutnavý výboj v plynné atmosféře obsahující dusíkové a uhlíkové složky.
Obrobek může fungovat jako katoda. Ionty generované v plazmatu interagují s povrchem, což napomáhá jeho aktivaci a transportu složek.
Mezi výhody plazmového procesu patří schopnost přesně řídit parametry a selektivně chránit povrchy, které by neměly být ošetřovány.

Nitrocementace a nitridace

Karbonitridace je proces související s nitridací , ale přítomnost dalšího uhlíku ovlivňuje tvorbu a stabilitu vrstvy sloučeniny.

Nitrocementace a cementace

Cementace je proces určený především ke zvýšení obsahu uhlí v povrchové vrstvě nízkouhlíkové oceli.
Po cementaci, vhodně vybraný kalení a obvykle nízké nechat jít, což vytváří tvrdou martenzitickou vrstvu a zároveň zachovává tvárnější jádro.
Při nitrocementaci není primárním mechanismem povrchového zpevnění tvorba martenzitu s vysokým obsahem uhlíku. Tyto vlastnosti jsou důsledkem především přítomnosti vrstvy sloučenin a dusíku v difuzní zóně.

Proč nitrocementace nevyžaduje klasické kalení?

Feritová nitrocementace se provádí pod teplotou A₁Proto se netvoří austenit, který by při rychlém ochlazování podléhal klasické martenzitické přeměně.
Povrchová tvrdost je výsledkem tvorby nitridů, karbonitridů a fází složených vrstev a interakce dusíku v difuzní zóně.
Díky tomu se vyhnete jednomu z hlavních zdrojů deformace, které jsou typické pro kalení.
To však neznamená úplnou absenci rozměrových změn. Jakékoli tepelné nebo termochemické zpracování může způsobit určité rozměrové změny v důsledku teploty, zbytkových napětí a strukturálních změn.

Vliv legujících prvků na nitrocementaci

Jaké oceli lze nitrocementovat?

Nitrocementaci lze použít na mnoho druhů ocelí, nejen na speciální oceli. ocel pro nitridaci.
Tento proces se mimo jiné používá k:

• uhlíkové konstrukční oceli,
• legované konstrukční oceli,
• ocel pro tepelné vylepšení,
• ocel pro nitridaci,
• vybrané nástrojové oceli,
• litina, pokud to složení a požadovaná technologie dovolují.

U ocelí obsahujících Cr , Mo , V nebo Al je možné difuzní zónu obzvláště efektivně vytvrdit díky tvorbě jemných nitridů.

Nitrocementace oceli po tepelném zpracování

V mnoha aplikacích je prvek předem podroben nitrokarburaci. tepelné vylepšení.
To umožňuje nejprve dosáhnout požadovaných vlastností jádra – odpovídající pevnosti, meze kluzu a tažnosti – a poté modifikovat tenkou povrchovou vrstvu nitrocementací.
Teplota předchozího temperování by měla být vhodně zvolena ve vztahu k následné teplotě nitrocementace, aby povrchový proces nezpůsobil nežádoucí popouštění jádra a ztrátu dříve získaných vlastností.

Vlastnosti vrstvy po nitrocementaci

Správně provedená nitrokarburace může poskytnout příznivou kombinaci povrchových vlastností.

Nitrocementace s oxidací

Po nitrokarburaci lze provést další karburaci. povrchová oxidace.
Na povrchu se poté vytvoří tenká vrstva oxidů železa, ve které může hrát zvláštní roli magnetit Fe.₃O₄.
Spojení:

může zvýšit odolnost proti korozi a dodat povrchu charakteristický tmavý nebo černý vzhled.
V závislosti na technologii se leštění používá také mezi fází nitrocementace a závěrečné oxidace.

QPQ – proces kalení–polírování–kalení

Jedním z pokroků v technologii koupání je proces známý jako QPQ – Quench–Leštění–Uhašení.
Zjednodušeně řečeno, zahrnuje:

1. nitrokarburace povrch,
2. první stupeň chlazení nebo oxidační úpravy, v závislosti na konkrétní technologii,
3. leštění povrch,
4. závěrečná fáze oxidace.

Cílem je kombinovat vysokou odolnost proti opotřebení s příznivými tribologickými vlastnostmi, dobrou kvalitou povrchu a zvýšenou odolností proti korozi.
Název QPQ je spojován se specifickou skupinou technologií a neměl by být automaticky používán jako synonymum pro jakýkoli proces nitrocementace s následnou oxidací.

Příprava povrchu pro nitrocementaci

Stav povrchu před procesem má velký význam pro rovnoměrnost vrstvy.
Povrch by měl být bez:

• oleje a tuky,
• korozních produktů,
• měřítko,
• technologické znečištění,
• povlaky, které omezují přístup aktivních složek k povrchu.

U některých materiálů může být nutná dodatečná aktivace povrchu. To je obzvláště důležité u materiálů, které vytvářejí odolné pasivní vrstvy.

Vliv doby zpracování na vrstvu

Prodloužení doby nitrocementace umožňuje další difuzi dusík a zvětšení hloubky difuzní zóny.
To ale neznamená, že by proces měl být prováděn co nejdéle.
Nadměrný čas může vést k:

• nadměrný růst složené vrstvy,
• zvýšení jeho pórovitosti,
• zhoršení mechanických vlastností povrchu,
• zbytečné zvyšování procesních nákladů.

Parametry by tedy měly vyplývat z požadovaných charakteristik vrstvy, a nikoli ze zásady „čím silnější vrstva, tím lépe“.

Aplikace nitrocementace

Nitrocementace se používá při výrobě součástí vystavených tření, opotřebení, zadření a proměnnému zatížení.
Mezi typické aplikace patří:

• hřídele a válečky,
• ozubená kola,
• pouzdra a čepy,
• komponenty převodovky,
• vačky,
• vačkové hřídele,
• prvky hydraulických a pneumatických systémů,
• díly čerpadla,
• průvodci,
• prvky pracovních strojů,
• části automobilového průmyslu,
• vybrané nástroje a vybavení.

Výhody nitrocementace

• vysoká odolnost povrchu proti opotřebení,
• zvýšená odolnost proti oděru,
• možnost zlepšení odolnosti proti únavě,
• možnost zvýšení odolnosti proti korozi po vhodné dodatečné úpravě,
• relativně nízká procesní teplota,
• není nutné klasické kalení po feritické nitrocementaci,
• nižší riziko deformace než u procesů vyžadujících austenitizaci a kalení,
• možnost obrábění hotových nebo téměř hotových rozměrů prvků,
• lze použít pro mnoho druhů oceli.

Omezení nitrocementace

• vrstva je mnohem mělčí než typická vrstva získaná cementace,
• tento proces nenahrazuje správné tepelné zpracování jádra,
• Příliš silná nebo porézní vrstva sloučenin může být nepříznivá,
• Účinnost procesu závisí na chemickém složení materiálu,
• Nesprávná příprava povrchu může způsobit nerovnoměrné nasycení,
• Parametry procesu musí zohledňovat předchozí tepelné zpracování součásti.

Kontrola vrstvy po nitrocementaci

Kvalitu vrstvy lze posoudit metalografickým vyšetřením a měřením tvrdost a analýza struktury a fázového složení.
Mimo jiné se kontrolují:

• tloušťka složené vrstvy,
• hloubka difuzní zóny,
• pórovitost složené vrstvy,
• profil mikrotvrdosti od povrchu směrem k jádru,
• rovnoměrnost vrstvy,
• metalografická struktura,
• tribologické vlastnosti, pokud jsou vyžadovány,
• odolnost proti korozi v případě procesů určených také pro tento účel.

Nitrocementace, neboli nitrocementace, je termochemické zpracování spočívající v současném zavádění primárně dusík a menší množství uhlí.
Nejdůležitější průmyslovou variantou je feritická nitrocementace FNC, provedené pod teplotou A₁, nejčastěji v rozmezí asi 500–600 °C.
Proces vytváří tenkou vrstvu vrstva sloučenin, obsahující převážně fáze ε-Fe_2-3(N,C) a γ′-Fe₄N a ten pod ním difúzní zóna.
Takto konstruovaná vrstva může poskytnout vysokou odolnost proti opotřebení a zadření, zlepšené únavové vlastnosti a – zejména po dodatečné oxidaci – zvýšenou odolnost proti korozi.
Nitrocementace by se neměla zaměňovat s karbonitridacePři nitrocementaci je dominantní složkou dusík. Proces se nejčastěji provádí ve feritické oblasti a nevyžaduje klasické kalení. Nitrocementace je naproti tomu příbuzný proces. cementace, obvykle prováděné v austenitické oblasti a dokončené kalením.

Metody tepelného a termochemického zpracování oceli

Karbonitridace je jen jeden z procesů používaných k modifikaci mikrostruktury a vlastností oceli. V závislosti na požadovaném efektu se používá také normalizace, odbourávání pnutí, kalení, popouštění atd., ale i termochemické procesy, jako je cementace, nitridace a další.

Metody tepelného zpracování oceli

• Normalizační ocel – zjemnění zrna a sjednocení mikrostruktury.
• Vyžadování odkladu – snížení zbytkových napětí.
• Měknutí oceli – snížení tvrdosti a zlepšení náchylnosti k dalšímu zpracování.
• Úplné žíhání – austenitizace a pomalé ochlazování.
• Izotermické žíhání – transformace prováděná za udržování při vhodně zvolené teplotě.
• Žíhání kuliček – sferoidizace – změna morfologie cementitu nebo jiných karbidů.
• Rekrystalizační žíhání – odstranění účinků drcení a obnovení plasticity.
• Homogenizační žíhání – snížení segregace a homogenizace složení materiálu.
• Kalení a tepelné zpracování – tvarování mikrostruktury a vlastností kalením a popouštěním.
• Popouštění oceli – řízená modifikace vlastností oceli po kalení.
• Indukční kalení – povrchový indukční ohřev a rychlé ochlazování.
• Kalení plamenem – povrchové zpevnění po lokálním ohřevu plamenem.
• Přesycení – získání přesyceného pevného roztoku vhodným tepelným cyklem.
• Stárnutí – řízená fázová separace vedoucí ke zpevnění materiálu.

Metody termochemického zpracování oceli

• Nitridace oceli – difuzní obohacení povrchové vrstvy dusíkem.
• Cementační ocel – difuzní obohacení povrchu uhlíkem.
• Karbonitridace – současné obohacení povrchové vrstvy uhlíkem a dusíkem.
• Nitrocementace / nitrocementace – obohacení vrstvy primárně dusíkem a uhlíkem.
• Vrtání – difuzní nasycení povrchu borem.
• Difuzní chromování – difuzní obohacení vrstvy chromem.
• Difuzní hliníkování – difuzní obohacení vrstvy v hliníku.