Nitrokarburering / Nitrokarburering af stål – proces, sammensat lag, egenskaber og anvendelser

Nitrokarburisering, også kaldet nitrokarburering, er en proces termokemisk behandling bestående i samtidig mætning af materialets overfladelag, primært kvælstof og i mindre grad kulProcessen bruges primært til at øge overfladens modstandsdygtighed over for slid, fastsætning og kontakttræthed, og – i passende fremstillede varianter – til at forbedre korrosionsbestandigheden.
I industriel praksis er det af særlig betydning ferritisk nitrokarburering, FNC, udført ved en temperatur, hvor stålet i det væsentlige forbliver i det ferritiske område. Dette adskiller processen fra karbonitrering, normalt udført i det austenitiske område og afsluttet hærdning.
Under nitrokarburisering nitrogen i kul diffunderer ind i stålets overfladelag og deltager i dannelsen af ​​en karakteristisk struktur, der normalt består af lag af forbindelser og den der ligger nedenunder diffusionszone.
Processen kan udføres ved hjælp af gas-, bad- eller plasmametoder. Valget af teknologi afhænger af materialetypen, komponentens geometri, den nødvendige lagtykkelse og struktur samt de forventede ydeevneegenskaber.

Nitrokarburisering, nitrokarburisering og karbonitrering – forskelle i nomenklatur

Vilkår nitrokarburisering i nitrokarburering henviser til en proces, hvor den dominerende komponent, der introduceres i overfladelaget, nitrogen, en kul fungerer som en yderligere komponent, der blandt andet påvirker dannelsen af ​​et lag af forbindelser.
Denne proces bør ikke identificeres med karbonitrering.

Karbonitrering er derfor en proces, der minder mere om nitrering end om karburering. Tilsætning af yderligere kulstof kan dog ændre dannelseskinetikken og sammensætningen af ​​​​forbindelseslaget.

Hvad er nitrokarburisering?

Under processen udsættes ståloverfladen for et miljø, der giver aktiv nitrogen i kul.
Atomer af disse elementer adsorberes på overfladen og trænger derefter ind i materialet ved diffusion.
Som et resultat af processen oprettes to hovedzoner:

• lag af forbindelser placeret direkte på overfladen,
• diffusionszone placeret under laget af forbindelser.

Strukturen i begge zoner afhænger af stålets kemiske sammensætning, temperatur, tid, atmosfærens nitrogen- og kulstofpotentiale samt den anvendte teknologi.

Lag af forbindelser efter nitrokarburisering

Et tyndt lag dannes direkte på overfladen et lag af jernforbindelser med nitrogen og kulstofI teknisk litteratur bruges udtrykket også sammensat lag.
Afhængigt af procesparametrene kan laget hovedsageligt indeholde følgende faser:

• ε – Fe_2-3(N,C),
• γ′ – Fe₄N.

Ved nitrokarburering søges det ofte at opnå et lag med en høj andel af ε-fasen, fordi tilstedeværelsen kul favoriserer dens stabilisering.
Det sammensatte lag er primært ansvarligt for overfladens høje modstandsdygtighed over for klæbemiddelslitage og afskrabning. Dets egenskaber afhænger dog ikke kun af dets tykkelse, men også af dets fasesammensætning, kompakthed og porøsitet.
Et tykkere lag af gummiblandinger betyder ikke altid et bedre slidlag. For stor tykkelse eller ugunstig porøsitet kan øge overfladens sprødhed og forringe komponentens opførsel under visse typer belastninger.

Diffusionszone

Under laget af forbindelser er der diffusionszone.
kvælstof Det trænger meget dybere ind end selve tykkelsen af ​​det sammensatte lag. Det kan eksistere i fast opløsning og danne fine nitrider og carbonitrider med elementer med en høj affinitet for nitrogen.
Af særlig betydning er:

• krom Cr,
• aluminium Al,
• molybdæn Mo,
• vanadium V,
• titanium Ti.

Dannelsen af ​​fine nitridudfældninger kan øges hårdhed diffusionszonen og påvirke fordelingen af ​​restspændinger.
Diffusionszonen spiller en vigtig rolle i at øge udmattelsesmodstanden og understøtte det tynde, meget hårde overfladelag.

Lagets struktur efter nitrokarburisering

Nitrokarbureringstemperatur

Ferritisk nitrokarburering udføres oftest i området fra ca. 500-600 ° C, afhænger den nøjagtige temperatur af materialet, teknologien og de nødvendige lagegenskaber.
Almindelige industrielle temperaturer findes nær 570-590 ° C.
Processen udføres under transformationstemperaturen A₁, takket være hvilken stålmatricen forbliver i det væsentlige ferritisk og den klassiske austenitiseringsegenskab for hærdning.
Dette har betydelige teknologiske implikationer. Den lavere procestemperatur reducerer dimensionsændringer og risikoen for forvrængning sammenlignet med processer, der kræver austenitisering og efterfølgende hærdning.

Typiske nitrokarbureringsparametre

De angivne intervaller er vejledende. Den passende cyklus skal vælges baseret på stålkvaliteten, tidligere bearbejdning, komponentgeometrien og de nødvendige lagkarakteristika.

Gasnitrokarburisering

Gasnitrokarburisering udføres i en ovn i en kontrolleret atmosfære, der giver nitrogen i kul.
En af nitrogenkilderne kan være ammoniak, mens kulstofkomponenten kan komme fra passende udvalgte kulstofholdige gasser.
Kontrol af atmosfærens sammensætning, temperatur og tid muliggør kontrol af vækstkinetikken i det sammensatte lag og diffusionszonen.
Fordelene ved gasmetoden omfatter muligheden for at udføre processen for et stort antal elementer og en relativt præcis kontrol af atmosfæreparametrene.

Badnitrokarburisering

Badnitrokarburisering udføres i flydende saltbade, der muliggør tilførsel af aktivt nitrogen og kulstof til overfladen af ​​det behandlede materiale.
Metoden muliggør meget intens varmeudveksling og ensartet miljøpåvirkning på overfladen af ​​elementer med en kompleks form.
Efter selve nitrokarburiseringstrinet kan yderligere afkøling, polering og oxidation anvendes.
Badeteknologi kræver streng kontrol af badets sammensætning og passende teknologiske og miljømæssige procedurer.

Plasmanitrokarburisering

Plasma nitrokarburering bruger en glødeudladning i en gasformig atmosfære, der indeholder nitrogen- og kulstofforsyningskomponenter.
Emnet kan fungere som en katode. Ioner genereret i plasmaet interagerer med overfladen og hjælper dens aktivering og transport af komponenter.
Fordelene ved plasmaprocessen omfatter evnen til præcist at kontrollere parametre og selektivt beskytte overflader, der ikke bør behandles.

Nitrokarburering og nitrering

Karbonitrering er en proces relateret til nitrering , men tilstedeværelsen af ​​yderligere kulstof påvirker dannelsen og stabiliteten af ​​​​forbindelseslaget.

Nitrokarburering og karburering

Karburering er en proces, der primært er designet til at øge indholdet kul i overfladelaget af lavkulstofstål.
Efter karburering, passende udvalgt hartowanie og normalt lav give slip, hvilket skaber et hårdt martensitisk lag, samtidig med at det opretholder en mere duktil kerne.
Ved nitrokarburisering er den primære overfladehærdningsmekanisme ikke dannelsen af ​​martensit med højt kulstofindhold. Disse egenskaber skyldes primært tilstedeværelsen af ​​et lag af forbindelser og nitrogen i diffusionszonen.

Hvorfor kræver nitrokarburering ikke klassisk hærdning?

Ferritisk nitrokarburering udføres under temperaturen A₁Derfor dannes der ingen austenit, som ville undergå den klassiske martensitiske transformation under hurtig afkøling.
Overfladehårdheden er resultatet af dannelsen af ​​nitrider, carbonitrider og sammensatte lagfaser samt interaktionen af ​​nitrogen i diffusionszonen.
Dette gør det muligt at undgå en af ​​de primære kilder til deformation, der er typisk for hærdning.
Dette betyder dog ikke et fuldstændigt fravær af dimensionsændringer. Enhver varme- eller termokemisk behandling kan forårsage visse dimensionsændringer som følge af temperatur, restspændinger og strukturelle ændringer.

Legeringselementernes indflydelse på nitrokarburering

Hvilke ståltyper kan nitrokarburiseres?

Nitrokarburering kan anvendes på mange typer stål, ikke kun specialstål. stål til nitrering.
Processen bruges blandt andet til:

• kulstofkonstruktionsstål,
• legeret konstruktionsstål,
• stål til termisk forbedring,
• stål til nitrering,
• udvalgte værktøjsstål,
• støbejern, hvis sammensætningen og den nødvendige teknologi tillader det.

I stål indeholdende Cr , Mo , V eller Al er det muligt at hærde diffusionszonen særligt effektivt på grund af dannelsen af ​​fine nitrider.

Nitrokarburering af stål efter varmebehandling

I mange anvendelser udsættes elementet for nitrokarburering på forhånd. termisk forbedring.
Dette gør det muligt først at opnå de nødvendige kerneegenskaber – passende styrke, flydespænding og duktilitet – og derefter at modificere det tynde overfladelag ved nitrokarburering.
Temperaturen fra den foregående hærdning bør vælges passende i forhold til den efterfølgende nitrokarburiseringstemperatur, således at overfladeprocessen ikke forårsager uønsket anløbning af kernen og tab af tidligere opnåede egenskaber.

Lagets egenskaber efter nitrokarburisering

Korrekt udført nitrokarburering kan give en gunstig kombination af overfladeegenskaber.

Nitrokarburering med oxidation

Efter nitrokarburering kan yderligere karburering udføres. overfladeoxidation.
Der dannes derefter et tyndt lag af jernoxider på overfladen, hvor magnetit Fe kan være af særlig betydning.₃O₄.
Forbindelse:

kan øge korrosionsbestandigheden og give overfladen et karakteristisk mørkt eller sort udseende.
Afhængigt af teknologien anvendes polering også mellem nitrokarburiseringen og de endelige oxidationstrin.

QPQ – Quench-Polish-Quench-proces

En af udviklingerne inden for badeteknologi er den proces, der er kendt som QPQ – Sluk-Polsk-Sluk.
Forenklet set omfatter det:

1. nitrokarburering overflade,
2. første trin i afkøling eller oxidationsbehandlingafhængigt af den specifikke teknologi,
3. polering overflade,
4. sidste fase af oxidationen.

Målet er at kombinere høj slidstyrke med gunstige tribologiske egenskaber, god overfladekvalitet og øget korrosionsbestandighed.
Navnet QPQ er forbundet med en specifik familie af teknologier og bør ikke automatisk bruges som et synonym for nogen nitrokarbureringsproces med efterfølgende oxidation.

Forberedelse af overfladen til nitrokarburisering

Overfladen er i god stand før processen, hvilket er af stor betydning for lagets ensartethed.
Overfladen skal være fri for:

• olier og fedtstoffer,
• korrosionsprodukter,
• skala,
• teknologisk forurening,
• belægninger, der begrænser adgangen af ​​aktive ingredienser til overfladen.

For nogle materialer kan yderligere overfladeaktivering være nødvendig. Dette er især vigtigt for materialer, der skaber holdbare passive lag.

Indflydelse af procestid på laget

Forlængelse af nitrokarburiseringstiden muliggør yderligere diffusion nitrogen og øger dybden af ​​diffusionszonen.
Det betyder dog ikke, at processen skal udføres så længe som muligt.
For meget tid kan føre til:

• overdreven vækst af det sammensatte lag,
• øger dens porøsitet,
• forringelse af overfladens mekaniske egenskaber,
• unødvendig stigning i procesomkostninger.

Parametrene bør derfor være et resultat af lagets nødvendige egenskaber og ikke af princippet "jo tykkere lag, desto bedre".

Anvendelse af nitrokarburisering

Nitrokarburisering anvendes i produktionen af ​​komponenter, der er udsat for friktion, slid, fastsætning og variable belastninger.
Typiske anvendelser omfatter:

• aksler og ruller,
• gear,
• bøsninger og stifter,
• transmissionskomponenter,
• kameraer,
• knastaksler,
• elementer i hydrauliske og pneumatiske systemer,
• pumpedele,
• guider,
• elementer af arbejdsmaskiner,
• dele af bilindustrien,
• udvalgte værktøjer og udstyr.

Fordele ved nitrokarburering

• høj slidstyrke på overfladen,
• øget modstandsdygtighed over for slid,
• mulighed for at forbedre træthedsmodstanden,
• mulighed for øget korrosionsbestandighed efter passende yderligere behandling,
• relativt lav procestemperatur,
• intet behov for klassisk hærdning efter ferritisk nitrokarburisering,
• lavere risiko for deformation end i processer, der kræver austenitisering og hærdning,
• mulighed for bearbejdning af færdige eller næsten færdige dimensioner af elementer,
• kan bruges til mange typer stål.

Begrænsninger ved nitrokarburisering

• laget er meget lavere end det typiske lag, der opnås ved karburering,
• processen erstatter ikke korrekt varmebehandling af kernen,
• et for tykt eller porøst lag af forbindelser kan være ugunstigt,
• Processens effektivitet afhænger af materialets kemiske sammensætning,
• Forkert overfladebehandling kan forårsage ujævn mætning,
• Procesparametrene skal tage højde for den tidligere varmebehandling af komponenten.

Inspektion af laget efter nitrokarburisering

Lagets kvalitet kan vurderes ved metallografisk undersøgelse og målinger hårdhed og analyse af strukturen og fasesammensætningen.
Blandt andet kontrolleres følgende:

• tykkelsen af ​​​​forbindelseslaget,
• dybden af ​​diffusionszonen,
• porøsiteten af ​​​​forbindelseslaget,
• mikrohårdhedsprofil fra overfladen mod kernen,
• lagensartethed,
• metallografisk struktur,
• tribologiske egenskaber, hvis det kræves,
• korrosionsbestandighed i tilfælde af processer, der også er designet til dette formål.

Nitrokarburisering, eller nitrokarburisering, er en termokemisk behandling, der består af samtidig introduktion af primært nitrogen og et mindre beløb kul.
Den vigtigste industrielle variant er ferritisk nitrokarburiserende FNC, udført under temperatur A₁oftest i området omkring 500-600 °C.
Processen skaber et tyndt lag lag af forbindelser, der hovedsageligt indeholder ε-Fe-faser_2-3(N,C) og γ′-Fe₄N, og den nedenunder diffusionszone.
Et lag konstrueret på denne måde kan give høj modstandsdygtighed over for slid og fastsætning, forbedrede udmattelsesegenskaber og – især efter yderligere oxidation – øget korrosionsbestandighed.
Nitrokarburisering bør ikke forveksles med karbonitreringVed nitrokarburering er den dominerende komponent nitrogen. Processen udføres oftest i det ferritiske område og kræver ikke klassisk hærdning. Karbonitrering er derimod en beslægtet proces. karburering, normalt udført i det austenitiske område og afsluttet med hærdning.

Metoder til varme- og termokemisk behandling af stål

Karbonitrering er blot én af de processer, der bruges til at modificere ståls mikrostruktur og egenskaber. Afhængigt af den ønskede effekt anvendes også normalisering, spændingsaflastning, hærdning, anløbning osv., samt termokemiske processer som karburering, nitrering og andre.

Metoder til varmebehandling af stål

• Normalisering af stål – kornforfinelse og mikrostrukturforening.
• Udskiftning af forbrugsvarer – reduktion af restspændinger.
• Blødgøring af stål – reducerer hårdheden og forbedrer modtageligheden for yderligere forarbejdning.
• Fuld udglødning – austenitisering og langsom afkøling.
• Isotermisk udglødning – transformation udført under opbevaring ved en korrekt valgt temperatur.
• Kugleglødning – sfæroidisering – ændring i morfologien af ​​cementit eller andre karbider.
• Omkrystallisationsglødning – fjernelse af virkningerne af knusning og genoprettelse af plasticitet.
• Homogeniserende udglødning – reduktion af segregation og homogenisering af materialesammensætningen.
• Hærdning og varmebehandling – formning af mikrostrukturen og egenskaberne ved hærdning og anløbning.
• Hærdet stål – kontrolleret modifikation af stålegenskaber efter hærdning.
• Induktionshærdning – overfladeinduktionsopvarmning og hurtig afkøling.
• Flammehærdning – overfladehærdning efter lokal opvarmning med flamme.
• Overmætning – opnåelse af en overmættet fast opløsning ved en passende termisk cyklus.
• Aldring – kontrolleret faseseparation, der fører til materialeforstærkning.

Metoder til termokemisk behandling af stål

• Nitrering af stål – diffusionsberigelse af overfladelaget med nitrogen.
• Karburerende stål – diffusionsberigelse af overflader med kulstof.
• Karbonitrering – samtidig berigelse af overfladelaget med kulstof og nitrogen.
• Nitrokarburisering / nitrokarburisering – berigelse af laget primært med nitrogen og kulstof.
• Boring – diffusionsmætning af overfladen med bor.
• Diffusionsforkromning – diffusionsberigelse af laget med krom.
• Diffusionsaluminisering – diffusionsberigelse af laget i aluminium.