Νιτρίδωση χάλυβα – διαδικασία, νιτριδωμένο στρώμα, ιδιότητες και εφαρμογές

Νιτρίδωση χάλυβα είναι μια θερμοχημική διαδικασία επεξεργασίας που περιλαμβάνει τον κορεσμό του επιφανειακού στρώματος ενός υλικού με άζωτο. Το άζωτο που διοχετεύεται στην επιφάνεια σε κατάλληλα ενεργή μορφή διεισδύει βαθιά στον χάλυβα μέσω διάχυσης και αλληλεπιδρά με τον σίδηρο και τα στοιχεία κράματος που εμφανίζουν υψηλή συγγένεια για το άζωτο.
Ως αποτέλεσμα, ένα χαρακτηριστικό νιτρωμένο στρώμα, του οποίου η μικροδομή και οι ιδιότητες διαφέρουν από το υλικό του πυρήνα. Σε σωστά επιλεγμένους χάλυβες, η διαδικασία επιτρέπει πολύ υψηλή επιφανειακή σκληρότητα, αυξημένη αντοχή στη φθορά και ευνοϊκή διαμόρφωση των τριβολογικών και κοπωτικών ιδιοτήτων του εξαρτήματος.
Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά της εναζώτωσης είναι ότι η διαδικασία εξαλείφει την ανάγκη για ωστενιτοποίηση του χάλυβα και την επακόλουθη ταχεία σκλήρυνση αμέσως μετά την εναζώτωση. Αυτό επιτρέπει μικρότερες διαστατικές αλλαγές και παραμορφώσεις σε σχέση με πολλές τεχνολογίες που χρησιμοποιούν επιφανειακή σκλήρυνση.

Τι είναι η εναζώτωση χάλυβα;

Η νιτρίδωση είναι μια διαδικασία διάχυσης. Δημιουργεί συνθήκες στην επιφάνεια του εξαρτήματος που επιτρέπουν την παροχή ενεργού αζώτου, την προσρόφηση του στην επιφάνεια και την επακόλουθη διάχυση στο υλικό.
Η διαδικασία μπορεί να απλοποιηθεί ως εξής:

ΠΗΓΗ ΑΖΩΤΟΥ → ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ → ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΑΖΩΤΟΥ → ΔΙΑΧΥΣΗ → ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΝΙΤΡΙΔΙΩΝ → ΝΙΤΡΙΩΜΕΝΗ ΣΤΡΩΣΗ

Σε αντίθεση με την κλασική σκλήρυνση, η νιτρίδωση δεν περιλαμβάνει τον σχηματισμό ωστενίτη και τον επακόλουθο μετασχηματισμό του σε μαρτενσίτη. Ο μηχανισμός σκλήρυνσης σχετίζεται κυρίως με την παρουσία αζώτου στο διάλυμα και τον σχηματισμό πολύ λεπτών ιζημάτων νιτριδίων σιδήρου και στοιχείων κράματος.

Μηχανισμός εναζώτωσης χάλυβα

Ο μηχανισμός της διεργασίας εξαρτάται από την τεχνολογία που χρησιμοποιείται. Στην αέρια εναζώτωση, η πηγή αζώτου είναι συνήθως η αμμωνία, ενώ στην εναζώτωση με πλάσμα, η επιφάνεια αλληλεπιδρά με τα ενεργά συστατικά του πλάσματος που περιέχει άζωτο.
Στην κλασική αέρια εναζώτωση, στην επιφάνεια του χάλυβα συμβαίνουν διεργασίες που περιλαμβάνουν διάσπαση αμμωνίας, προσρόφηση αζώτου και διείσδυσή του στο υλικό. Κάποια ποσότητα αζώτου μπορεί στη συνέχεια να διαχυθεί στον χάλυβα.
Σε μια απλοποιημένη τεχνολογική σημειογραφία, η αποσύνθεση της αμμωνίας μπορεί να αναπαρασταθεί ως:

2NH3 ⇌ ₂ [N] + _3H2

Το σύμβολο [N] σε αυτήν την σημειογραφία υποδηλώνει άζωτο που είναι διαθέσιμο για επιφανειακές διεργασίες. Ο πραγματικός μηχανισμός των επιφανειακών αντιδράσεων και της μεταφοράς αζώτου είναι πιο περίπλοκος, επομένως απλές εξισώσεις όπως "Fe + N → FeN" δεν θα πρέπει να θεωρούνται πλήρης περιγραφή της διεργασίας εναζώτωσης.

Τι συμβαίνει με το άζωτο μόλις εισέλθει στον χάλυβα;

Μόλις ενσωματωθεί σε ένα υλικό, το άζωτο μπορεί να υπάρχει σε διάλυμα και να συμμετέχει στο σχηματισμό κατάλληλων φάσεων και ιζημάτων. Στοιχεία με υψηλή συγγένεια για το άζωτο, όπως χρώμιο, βανάδιο σε αλουμίνιο.
Ανάλογα με τη χημική σύνθεση του χάλυβα και τις παραμέτρους της διεργασίας, ενδέχεται να σχηματιστούν πολύ λεπτά ιζήματα νιτριδίων κράματος. Η παρουσία τους μπορεί να ενισχύσει σημαντικά το στρώμα διάχυσης.
Επομένως, οι χάλυβες ειδικά σχεδιασμένοι για εναζώτωση περιέχουν στοιχεία που επιτρέπουν την απόκτηση ενός πολύ σκληρού και σταθερού στρώματος.

Δομή του νιτρωμένου στρώματος

Το στρώμα που σχηματίζεται κατά την εναζώτωση δεν είναι ομοιόμορφο σε όλο το βάθος του. Συνήθως, διακρίνονται τα ακόλουθα:

ΣΤΡΩΜΑ ΔΕΣΜΟΥ → ΣΤΡΩΜΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ → ΠΥΡΗΝΑΣ

Το στρώμα ένωσης – το λεγόμενο λευκό στρώμα

Το εξωτερικό τμήμα του νιτριδωμένου στρώματος αναφέρεται ως στρώμα ένωσηςκαι στη μεταλλογραφική πρακτική είναι επίσης γνωστό ως «λευκό στρώμα». Το όνομα προέρχεται από την εμφάνισή του σε ένα σωστά προετοιμασμένο μεταλλογραφικό δείγμα.
Αυτό το επίπεδο μπορεί να περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων:

• γ′ φάση – Fe₄N,
• φάση ε – Fe_2-3N.

Το μερίδιο των μεμονωμένων φάσεων και το πάχος του στρώματος της ένωσης εξαρτώνται από το δυναμικό νιτρίωσης, τη θερμοκρασία, τον χρόνο διεργασίας, τη σύνθεση της ατμόσφαιρας και το υλικό του υποστρώματος.
Ένα σύνθετο στρώμα μπορεί να παρέχει ευνοϊκές τριβολογικές ιδιότητες και αντοχή σε ορισμένους τύπους φθοράς, αλλά το υπερβολικό πάχος ή η κακή δομή μπορούν να αυξήσουν την ευαισθησία σε ρωγμές και θραύση. Επομένως, ο στόχος της τεχνολογίας δεν είναι πάντα η επίτευξη του παχύτερου δυνατού σύνθετου στρώματος.

Στρώμα διάχυσης

Κάτω από το στρώμα των ενώσεων υπάρχει ένα στρώμα διάχυσης . Σε αυτήν την περιοχή, η περιεκτικότητα σε άζωτο μειώνεται σταδιακά με την αυξανόμενη απόσταση από την επιφάνεια.

Στους κραματοποιημένους χάλυβες, το άζωτο μπορεί να σχηματίσει λεπτά ιζήματα με στοιχεία που εμφανίζουν υψηλή συγγένεια προς το άζωτο. Αυτά τα ιζήματα είναι κρίσιμα για την υψηλή σκληρότητα του στρώματος διάχυσης.

Το στρώμα διάχυσης έχει ιδιαίτερη σημασία για:

• σκληρότητα επιφάνειας,
• αντοχή στη φθορά,
• κατανομή σκληρότητας βαθιά μέσα στο υλικό,
• κατάσταση υπολειμματικών τάσεων,
• συμπεριφορά του στοιχείου υπό μεταβλητά φορτία.

Προφίλ αζώτου και σκληρότητας στο νιτρωμένο στρώμα

Η περιεκτικότητα σε άζωτο δεν είναι ομοιόμορφη σε όλο το βάθος του στρώματος. Η υψηλότερη συγκέντρωση εμφανίζεται κοντά στην επιφάνεια και στη συνέχεια μειώνεται προς τον πυρήνα.
Το προφίλ σκληρότητας είναι παρόμοιο. Ανάλογα με την ποιότητα του χάλυβα και τη δομή της στρώσης, εμφανίζεται πολύ υψηλή σκληρότητα στην επιφάνεια, η οποία στη συνέχεια μειώνεται σταδιακά σε μια τιμή που αντιστοιχεί στο υλικό του πυρήνα.
Επομένως, κατά την αξιολόγηση ενός νιτρωμένου στοιχείου, δεν είναι σημαντική μόνο μια μεμονωμένη τιμή σκληρότητας επιφάνειας, αλλά και προφίλ μικροσκληρότητας ως συνάρτηση της απόστασης από την επιφάνεια.

Θερμοκρασία εναζώτωσης χάλυβα

Η νιτρίδωση πραγματοποιείται σε θερμοκρασίες κάτω από το εύρος της κλασικής ωστενιτοποίησης του χάλυβα. Η ακριβής θερμοκρασία εξαρτάται από την παραλλαγή της διεργασίας που χρησιμοποιείται, τον τύπο του υλικού και την απαιτούμενη δομή και βάθος του στρώματος.
Στη βιομηχανική πρακτική, πολλές διεργασίες εναζώτωσης χάλυβα πραγματοποιούνται στην περιοχή περίπου 400-600 ° C, αλλά αυτό δεν είναι ένα καθολικό όριο για όλες τις τεχνολογίες εναζώτωσης.
Η θερμοκρασία έχει σημαντικό αντίκτυπο στη διάχυση. Η αύξησή της επιταχύνει τη μεταφορά αζώτου μέσα στο υλικό, αλλά επηρεάζει επίσης τις διαδικασίες καθίζησης, τη μικροδομή και τις ιδιότητες του υποστρώματος.
Επομένως, οι παράμετροι θα πρέπει να επιλέγονται ως εξής:

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ + ΧΡΟΝΟΣ + ΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑ ΑΖΩΤΟΥ + ΣΥΝΘΕΣΗ ΧΑΛΥΒΑ + ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗ ΣΤΡΩΣΗ

Χρόνος νιτρίωσης

Η νιτρίδωση είναι μια διαδικασία διάχυσης, επομένως ο χρόνος είναι κρίσιμος για το βάθος του στρώματος. Ανάλογα με την τεχνολογία και τις απαιτήσεις, η διαδικασία μπορεί να διαρκέσει από σχετικά σύντομους κύκλους έως πολλές ώρες, ή ακόμη και πολύ περισσότερο εάν απαιτούνται βαθιά στρώματα.
Δεν υπάρχει μία και μοναδική καθολική σχέση «αριθμός ωρών = συγκεκριμένο βάθος» επειδή ο ρυθμός ανάπτυξης των στρωμάτων εξαρτάται, μεταξύ άλλων, από τη θερμοκρασία, τη χημική σύνθεση του υλικού, τη μικροδομή και την ατμοσφαιρική δραστηριότητα.
Λόγω της διαχυτικής φύσης της διαδικασίας, η αύξηση του χρόνου δεν οδηγεί σε γραμμική αύξηση του βάθους της στρώσης.

Αέρια νιτρίωση

Αέρια νιτρίωση είναι μια από τις κλασικές βιομηχανικές μεθόδους εναζώτωσης. Τα εξαρτήματα τοποθετούνται σε έναν κλίβανο όπου παράγεται ελεγχόμενη ατμόσφαιρα που περιέχει αμμωνία.
Στην επιφάνεια λαμβάνουν χώρα διεργασίες που οδηγούν στην παροχή αζώτου, το οποίο στη συνέχεια διαχέεται στο υλικό.
Ελέγχοντας τη θερμοκρασία, τον χρόνο, τη σύνθεση της ατμόσφαιρας και τον βαθμό διάσπασης της αμμωνίας, μπορείτε να επηρεάσετε:

• κινητική κορεσμού αζώτου,
• η κατασκευή του συνδικαλιστικού στρώματος,
• βάθος του στρώματος διάχυσης,
• προφίλ σκληρότητας,
• τελικές ιδιότητες επιφάνειας.

Δυναμικό νιτρίδωσης

Στον σύγχρονο έλεγχο αζωτούχων αερίων, μια σημαντική παράμετρος είναι δυναμικό νιτρίωσηςΠεριγράφει την ικανότητα της ατμόσφαιρας να μεταφέρει άζωτο στην επιφάνεια και επιτρέπει τον πιο συνειδητό έλεγχο του σχηματισμού μεμονωμένων φάσεων στο στρώμα.
Ο έλεγχος του δυναμικού νιτρίδωσης μας επιτρέπει να περιορίσουμε την ανεξέλεγκτη ανάπτυξη του στρώματος της ένωσης και να διαμορφώσουμε τη δομή του ανάλογα με τις τεχνικές απαιτήσεις.

Πλεονεκτήματα της αέριας εναζώτωσης

• γνωστή βιομηχανική τεχνολογία,
• η δυνατότητα επεξεργασίας πολλαπλών στοιχείων ταυτόχρονα,
• η ικανότητα ελέγχου της σύνθεσης της ατμόσφαιρας,
• καλή επαναληψιμότητα με σωστό έλεγχο της διεργασίας,
• δυνατότητα λήψης σχετικά βαθιών στρωμάτων διάχυσης.

Περιορισμοί της αζωτούχησης αερίου

• απαιτείται μεγάλος χρόνος για βαθύτερα στρώματα,
• η ανάγκη ελέγχου της ατμόσφαιρας της διεργασίας,
• η πιθανότητα σχηματισμού ενός υπερβολικού ή ανεπιθύμητου στρώματος ένωσης,
• η ανάγκη ασφαλούς λειτουργίας μιας εγκατάστασης που χρησιμοποιεί αμμωνία.

Νιτρίωση πλάσματος – νιτρίωση ιόντων

Νιτρίωση πλάσματος, επίσης γνωστή ως νιτρίδωση ιόντων, χρησιμοποιεί μια εκκένωση λάμψης σε ένα αέριο σε μειωμένη πίεση. Το τεμάχιο εργασίας είναι μέρος ενός ηλεκτρικού συστήματος και το πλάσμα που προκύπτει περιέχει ενεργά συστατικά που αλληλεπιδρούν με την επιφάνεια.
Οι διεργασίες που συμβαίνουν στην επιφάνεια περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, βομβαρδισμό με ιόντα, ενεργοποίηση και καθαρισμό της επιφάνειας, καθώς και την παροχή αζώτου που επιτρέπει τον σχηματισμό ενός νιτρωμένου στρώματος.

Πλεονεκτήματα της εναζώτωσης πλάσματος

• μεγάλη ικανότητα ελέγχου του χαρακτήρα της στρώσης,
• η δυνατότητα περιορισμού ή ελέγχου του συνδικαλιστικού στρώματος,
• η δυνατότητα επιλεκτικής προστασίας επιφανειών που δεν πρόκειται να νιτριδωθούν,
• ενεργοποίηση επιφάνειας μέσω αλληλεπίδρασης πλάσματος,
• μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλές απαιτητικές εφαρμογές εργαλείων και μηχανημάτων.

Περιορισμοί της εναζώτωσης πλάσματος

• πιο σύνθετο τεχνολογικό εξοπλισμό,
• η ανάγκη ελέγχου των παραμέτρων εκροής και ατμόσφαιρας,
• ευαισθησία της διεργασίας στη γεωμετρία λεπτομερειών και στην κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου,
• πιθανότητα εμφάνισης φαινομένων στις άκρες,
• η ανάγκη για κατάλληλη προετοιμασία και διάταξη των στοιχείων.

Υγρή εναζώτωση

Η νιτρίδωση μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί σε υγρά λουτρά άλατος. Ανάλογα με την τεχνολογία και τη σύνθεση του λουτρού, η διαδικασία μπορεί να οδηγήσει σε κορεσμό της επιφάνειας με άζωτο ή σε ταυτόχρονη αλληλεπίδραση αζώτου και άνθρακα.
Για αυτόν τον λόγο, είναι απαραίτητο να διακρίνουμε την κλασική έννοια της νιτρίδωσης από τις διεργασίες νιτροενανθράκωση και άλλοι τύποι θερμοχημικής επεξεργασίας με χρήση λουτρών άλατος.

Πλεονεκτήματα των διαδικασιών κολύμβησης

• έντονες περιβαλλοντικές επιπτώσεις στην επιφάνεια,
• σχετικά γρήγορη δημιουργία στρώσεων σε συγκεκριμένες τεχνολογίες,
• ομοιόμορφη επίδραση του μπάνιου στις προσβάσιμες επιφάνειες του στοιχείου.

Περιορισμοί στις διαδικασίες κολύμβησης

• απαιτήσεις χημικής ασφάλειας,
• η ανάγκη ελέγχου της σύνθεσης του μπάνιου,
• απαιτήσεις διαχείρισης αποβλήτων,
• περιβαλλοντικοί περιορισμοί ανάλογα με την τεχνολογία που χρησιμοποιείται και τη σύνθεση του αλατιού.

Νιτρίδωση και νιτροενανθράκωση

Νιτρίδωση i νιτροενανθράκωση δεν είναι ταυτόσημες έννοιες. Στη νιτρίδωση, το βασικό στοιχείο που εισάγεται στο στρώμα είναι το άζωτο. Στη νιτροενανθράκωση, η επιφάνεια κορένεται κυρίως με άζωτο, με ταυτόχρονη προσθήκη άνθρακα.
Οι διαφορές στη σύνθεση της ατμόσφαιρας ή του λουτρού επηρεάζουν τη δομή του στρώματος της ένωσης, την κινητική της διεργασίας και τις ιδιότητες της επιφάνειας. Συνεπώς, αυτές οι τεχνολογίες δεν θα πρέπει να θεωρούνται εναλλάξιμες.

Παράμετροι που επηρεάζουν την εναζώτωση

Η επίδραση της χημικής σύνθεσης του χάλυβα στην νιτρίωση

Δεν αντιδρούν όλοι οι χάλυβες στην νιτρίδωση με τον ίδιο τρόπο. Τα στοιχεία που σχηματίζουν σταθερά νιτρίδια είναι ιδιαίτερα σημαντικά.

Χρώμιο – Cr

Το χρώμιο έχει συγγένεια με το άζωτο και μπορεί να συμμετέχει στο σχηματισμό ιζημάτων που συμβάλλουν στην ενίσχυση του στρώματος. Είναι ένα σημαντικό συστατικό πολλών δομικών και εργαλειοχάλυβων που υποβάλλονται σε εναζώτωση.

Αλουμίνιο – Al

Το αλουμίνιο έχει πολύ υψηλή συγγένεια με το άζωτο. Αυτό το καθιστά μια χαρακτηριστική προσθήκη στους κλασικούς χάλυβες που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για εναζώτωση. Ο σχηματισμός λεπτών ιζημάτων που σχετίζονται με το αλουμίνιο επιτρέπει πολύ υψηλή σκληρότητα του στρώματος.

Μολυβδαίνιο – Mo

Το μολυβδαίνιο είναι ένα σημαντικό συστατικό πολλών θερμικά επεξεργάσιμων και νιτριδιώσιμων χαλύβων. Επηρεάζει τη σκληρυνσιμότητα, την αντοχή στη σκλήρυνση και τη συμπεριφορά του υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες.

Βανάδιο – V

Το βανάδιο σχηματίζει σταθερές ενώσεις με το άζωτο και μπορεί να συμβάλει στην ισχυρή ενίσχυση του στρώματος διάχυσης.

Τιτάνιο – Τιτάνιο

Το τιτάνιο έχει πολύ υψηλή συγγένεια με το άζωτο και σχηματίζει το εξαιρετικά σταθερό νιτρίδιο TiN. Ωστόσο, η επίδρασή του στη διεργασία εξαρτάται από τη συγκεκριμένη σύνθεση του κράματος και τη μικροδομική του κατάσταση.

Χάλυβες εναζώτωσης

Η νιτρίδωση πραγματοποιείται σε χάλυβες ειδικά σχεδιασμένους για αυτή τη διαδικασία, καθώς και σε επιλεγμένους χάλυβες δομικών υλικών, εργαλείων και ανοξείδωτους χάλυβες. Ωστόσο, η τελική σκληρότητα και ο χαρακτήρας του στρώματος εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη χημική σύνθεση.
Ιδιαίτερα σημαντικές ομάδες περιλαμβάνουν:

• Χάλυβες Cr-Al-Mo που προορίζονται για εναζώτωση,
• Χάλυβες Cr-Mo και Cr-Mo-V,
• χάλυβες για θερμική βελτίωση,
• χάλυβες εργαλείων θερμής εργασίας,
• επιλεγμένους ανοξείδωτους χάλυβες, χρησιμοποιώντας κατάλληλη τεχνολογία επιφανειακής ενεργοποίησης.

38HMJ – κλασικός χάλυβας εναζώτωσης

38HMJ Είναι ένας από τους πιο χαρακτηριστικούς δομικούς χάλυβες που σχετίζονται με την εναζώτωση. Η παρουσία χρωμίου, μολυβδαινίου και αλουμινίου επιτρέπει τη δημιουργία ενός σκληρού στρώματος εναζώτωσης.
Το υλικό χρησιμοποιείται για κρίσιμα μηχανικά μέρη που απαιτούν συνδυασμό ανθεκτικού πυρήνα και σκληρής και ανθεκτικής στη φθορά επιφάνειας.
Στην πράξη, πριν από την νιτρίδωση, το στοιχείο θα πρέπει να έχει έναν σωστά προετοιμασμένο πυρήνα, ο οποίος συνήθως λαμβάνεται με προηγούμενη θερμική επεξεργασία.

31CrMoV9 και άλλοι χάλυβες Cr-Mo-V

Οι χάλυβες που περιέχουν χρώμιο, μολυβδαίνιο και βανάδιο μπορούν να ανταποκριθούν πολύ καλά στην νιτρίδωση λόγω της παρουσίας στοιχείων που σχηματίζουν νιτρίδια και της καλής σταθερότητας των ιδιοτήτων του υποστρώματος.
Χρησιμοποιούνται, μεταξύ άλλων, σε στοιχεία μηχανών, άξονες, εξαρτήματα κιβωτίου ταχυτήτων, εργαλεία και άλλα εξαρτήματα που εκτίθενται σε φθορά και υψηλά μηχανικά φορτία.

Νιτρίδωση χαλύβων εργαλείων

Η νιτρίδωση χρησιμοποιείται επίσης για επιλεγμένα χάλυβες εργαλείων, ειδικά κράματα χάλυβα εργαλείων που περιέχουν χρώμιο, μολυβδαίνιο και βανάδιο.
Η διαδικασία μπορεί να αυξήσει την αντοχή των επιφανειών των εργαλείων στη φθορά και την τριβή και, σε κατάλληλες εφαρμογές, να παρατείνει την ανθεκτικότητά τους.
Τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν:

• μήτρες,
• μορφές,
• εργαλεία θερμής εργασίας,
• καρφίτσες,
• στοιχεία διαμόρφωσης,
• μέρη συστημάτων επεξεργασίας πλαστικών.

Νιτρίδωση ανοξείδωτων χαλύβων

Η νιτρίδωση ανοξείδωτων χαλύβων απαιτεί ειδική προσέγγιση λόγω της παρουσίας ενός παθητικού στρώματος πλούσιου σε χρώμιο, γεγονός που καθιστά δύσκολο τον κλασικό κορεσμό των επιφανειών με άζωτο.
Οι τεχνολογίες πλάσματος επιτρέπουν την ενεργοποίηση της επιφάνειας, γι' αυτό και χρησιμοποιούνται και για την επεξεργασία επιλεγμένων ανοξείδωτων χαλύβων.
Για τους ανοξείδωτους χάλυβες, η επιλογή της θερμοκρασίας είναι ιδιαίτερα σημαντική. Υπό ορισμένες συνθήκες, η καθίζηση νιτριδίου του χρωμίου μπορεί να μειώσει την ποσότητα χρωμίου που παραμένει στο στερεό διάλυμα κοντά στην επιφάνεια, μειώνοντας έτσι την αντοχή στη διάβρωση.
Επομένως, σε εφαρμογές όπου απαιτείται ταυτόχρονα υψηλή σκληρότητα και υψηλή αντοχή στη διάβρωση, χρησιμοποιούνται ειδικά ελεγχόμενες διαδικασίες χαμηλής θερμοκρασίας.

Προετοιμασία του στοιχείου για νιτρίδωση

Η νιτρίδωση είναι συνήθως μία από τις τελικές λειτουργίες στον κύκλο παραγωγής ενός εξαρτήματος. Επομένως, οι ιδιότητες του πυρήνα θα πρέπει να προσδιορίζονται πριν από την έναρξη της διαδικασίας.
Μια τυπική γραμμή διεργασίας μπορεί να περιλαμβάνει:

ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ → ΣΚΛΗΡΥΝΣΗ → ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ → ΑΝΑΚΟΥΦΙΣΗ ΑΠΟ ΤΗΝ ΤΑΣΗ, ΕΑΝ ΑΠΑΙΤΕΙΤΑΙ → ΦΙΝΙΡΙΣΜΑ → ΝΙΤΡΙΩΣΗ

Η λεπτομερής ακολουθία εξαρτάται, φυσικά, από το υλικό, τις διαστάσεις του στοιχείου και την απαιτούμενη ακρίβεια.

Γιατί ο πυρήνας συχνά υποβάλλεται πρώτα σε θερμική επεξεργασία;

Η νιτρίδωση βελτιώνει κυρίως τις ιδιότητες του επιφανειακού στρώματος. Δεν αντικαθιστά τη θερμική επεξεργασία, η οποία είναι υπεύθυνη για την επίτευξη της απαιτούμενης αντοχής ολόκληρης της διατομής.
Επομένως, οι δομικοί χάλυβες συχνά υποβάλλονται σε νιτρίωση πριν θερμική βελτίωσηΑυτό σας επιτρέπει να επιτύχετε:

• ανθεκτικός πυρήνας,
• κατάλληλη πλαστικότητα,
• σταθερή μικροδομή του υποστρώματος,
• και στη συνέχεια ένα πολύ σκληρό επιφανειακό στρώμα στη διαδικασία εναζώτωσης.

Πρώιμη θερμοκρασία σκλήρυνσης

Εάν το στοιχείο έχει υποστεί προηγούμενη θερμική επεξεργασία, η θερμοκρασία σκλήρυνση θα πρέπει να επιλέγεται λαμβάνοντας υπόψη την επακόλουθη θερμοκρασία εναζώτωσης.
Στόχος είναι ο περιορισμός των ανεπιθύμητων αλλαγών στις ιδιότητες του πυρήνα κατά τη διάρκεια πολλών ωρών που το στοιχείο παραμένει στη θερμοκρασία εναζώτωσης.

Σκληρότητα του νιτριδωμένου στρώματος

Η εναζώτωση μπορεί να επιτύχει πολύ υψηλή επιφανειακή σκληρότητα. Ωστόσο, δεν υπάρχει μία μόνο χαρακτηριστική τιμή για όλους τους χάλυβες που έχουν υποστεί εναζώτωση.
Η σκληρότητα εξαρτάται από:

• χημική σύνθεση χάλυβα,
• ο τύπος και η ποσότητα των στοιχείων που σχηματίζουν νιτρίδια,
• θερμοκρασία και χρόνος διεργασίας,
• δραστηριότητα αζώτου,
• οικοδόμηση του συνδικαλιστικού στρώματος,
• μικροδομή του στρώματος διάχυσης,
• μέθοδοι μέτρησης και βάθος μέτρησης.

Σε χάλυβες που προορίζονται ειδικά για εναζώτωση, η επιφανειακή μικροσκληρότητα μπορεί να υπερβαίνει τα 1000 HV, αλλά τιμές αυτής της τάξης δεν θα πρέπει να θεωρούνται ως καθολικό αποτέλεσμα της εναζώτωσης κάθε ποιότητας χάλυβα.

Βάθος του νιτρωμένου στρώματος

Το βάθος της στρώσης είναι αποτέλεσμα της διάχυσης και επομένως εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον χρόνο και τη θερμοκρασία της διεργασίας. Η σύνθεση του χάλυβα και ο απαιτούμενος ορισμός του ενεργού βάθους της στρώσης είναι επίσης σημαντικά.

Στην πράξη, χρησιμοποιούνται τόσο σχετικά ρηχά στρώματα όσο και στρώματα διάχυσης που φτάνουν σε πολύ μεγαλύτερα βάθη. Ωστόσο, ένα μόνο εύρος, π.χ. 0,1–0,6 mm, δεν θα πρέπει να θεωρείται το τεχνολογικό όριο ολόκληρης της διαδικασίας εναζώτωσης.

Ιδιότητες του νιτριδωμένου στρώματος

Η σωστά σχεδιασμένη εναζώτωση μπορεί να οδηγήσει σε μια σειρά από ευνοϊκές επιφανειακές ιδιότητες:

• πολύ υψηλή επιφανειακή σκληρότητα,
• αυξημένη αντοχή στη φθορά,
• αυξημένη αντοχή στις κρίσεις υπό κατάλληλες τριβολογικές συνθήκες,
• ευνοϊκή κατανομή των υπολειμματικών τάσεων,
• βελτίωση της συμπεριφοράς κόπωσης σε πολλές εφαρμογές,
• υψηλή διαστασιακή σταθερότητα σε σύγκριση με διεργασίες που απαιτούν επακόλουθη ταχεία σκλήρυνση.

Αντίσταση στη νιτρίδωση και τη διάβρωση

Η επίδραση της εναζώτωσης στην αντοχή στη διάβρωση δεν είναι η ίδια για όλα τα υλικά και τις τεχνολογίες.
Ένα σωστά σχηματισμένο σύνθετο στρώμα, ειδικά σε διεργασίες νιτροενανθράκωσης και διεργασίες που συμπληρώνονται με οξείδωση, μπορεί να βελτιώσει την αντοχή της επιφάνειας στη διάβρωση σε ορισμένα περιβάλλοντα.
Ωστόσο, δεν μπορεί να γίνει γενικά αποδεκτό ότι κάθε είδους εναζώτωση αυξάνει την αντοχή στη διάβρωση όλων των χαλύβων. Στους ανοξείδωτους χάλυβες, οι ακατάλληλα επιλεγμένες θερμοκρασίες μπορούν να οδηγήσουν στην απελευθέρωση νιτριδίων του χρωμίου και σε μείωση της αντοχής στη διάβρωση.

Νιτρίδωση και αντοχή στη φθορά

Η υψηλή σκληρότητα και η φύση της μικροδομής του στρώματος σημαίνουν ότι η εναζώτωση χρησιμοποιείται ευρέως σε εξαρτήματα που εκτίθενται σε τριβή και φθορά.
Ωστόσο, η πραγματική ανθεκτικότητα δεν εξαρτάται μόνο από τη σκληρότητα. Οι ακόλουθοι παράγοντες παίζουν επίσης ρόλο:

• η κατασκευή του συνδικαλιστικού στρώματος,
• βάθος του στρώματος διάχυσης,
• σκληρότητα και αντοχή του υποστρώματος,
• τραχύτητα επιφάνειας,
• πιέσεις επαφής,
• τύπος κίνησης αλληλεπιδρώντων επιφανειών,
• λάδωμα,
• θερμοκρασία λειτουργίας.

Ζωή εναζώτωσης και κόπωσης

Η διαδικασία μπορεί να έχει θετική επίδραση στη διάρκεια ζωής σε κόπωση ενισχύοντας το επιφανειακό στρώμα και δημιουργώντας ευνοϊκές συμπιεστικές τάσεις.
Ωστόσο, το αποτέλεσμα εξαρτάται από τη γεωμετρία του εξαρτήματος, την ποιότητα της επιφάνειας, το βάθος της στρώσης, τις ιδιότητες του πυρήνα και την παρουσία εγκοπών και άλλων συγκεντρωτών τάσεων.

Παραμορφώσεις κατά την εναζώτωση

Ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα της εναζώτωσης είναι ότι δεν απαιτεί ταχεία ψύξη από τη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης αμέσως μετά τη διαδικασία. Αυτό μειώνει τον κίνδυνο μεγάλων παραμορφώσεων σε σύγκριση με βαφή μέταλλου, επαγωγική σκλήρυνση lub σκλήρυνση με φλόγα.
Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει πλήρη απουσία διαστατικών αλλαγών. Η διάχυση αζώτου, ο σχηματισμός νέων φάσεων, οι υπολειμματικές τάσεις και η παρατεταμένη θέρμανση μπορούν να προκαλέσουν μικρές διαστατικές αλλαγές, οι οποίες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για εξαρτήματα υψηλής ακρίβειας.

Νιτρίδωση και επιφανειακή σκλήρυνση

Νιτρίδωση και ενανθράκωση

Η ενανθράκωση και η νιτρίδωση είναι θερμοχημικές διεργασίες επεξεργασίας, αλλά χρησιμοποιούν διαφορετικά στοιχεία και διαφορετικούς μηχανισμούς για την τελική σκλήρυνση του στρώματος.

Έλεγχος ποιότητας του νιτριδωμένου στρώματος

Η αξιολόγηση της ποιότητας της εναζώτωσης θα πρέπει να περιλαμβάνει περισσότερα από τη μέτρηση της σκληρότητας στην ίδια την επιφάνεια.
Ανάλογα με την εφαρμογή, δοκιμάζονται, μεταξύ άλλων, τα ακόλουθα:

• μικροσκληρότητα επιφάνειας,
• προφίλ μικροσκληρότητας βαθιά μέσα στο υλικό,
• αποτελεσματικό βάθος στρώσης,
• πάχος και δομή του σύνθετου στρώματος,
• μικροδομή του στρώματος διάχυσης,
• ομοιομορφία στρώσεων,
• κατάσταση της επιφάνειας,
• διαστατικές αλλαγές,
• σε απαιτητικές εφαρμογές επίσης αντοχή στη φθορά, την κόπωση ή τη διάβρωση.

Τα πιο συνηθισμένα προβλήματα κατά την εναζώτωση

• Υπερβολικά παχύ στρώμα ένωσης – μπορεί να αυξήσει την ευαισθησία της επιφάνειας στην ευθραυστότητα και το ξεφλούδισμα.
• Πολύ μικρό βάθος του στρώματος διάχυσης – ανεπαρκής χρόνος ή ακατάλληλες παράμετροι διεργασίας.
• Ανομοιόμορφη εναζώτωση – μπορεί να προκύψει από την κατάσταση της επιφάνειας, τη γεωμετρία του στοιχείου ή τις ανομοιογενείς συνθήκες της διεργασίας.
• Λανθασμένη σκληρότητα πυρήνα – η εναζώτωση δεν θα επισκευάσει μια μικροδομή υποστρώματος που δεν έχει προετοιμαστεί σωστά.
• Αλλαγές διαστάσεων – μικρό, αλλά σημαντικό σε μέρη με πολύ περιορισμένες ανοχές.
• Επιδείνωση της αντοχής στη διάβρωση του ανοξείδωτου χάλυβα – πιθανή με λανθασμένη επιλογή θερμοκρασίας και τεχνολογίας.

Εφαρμογή νιτρίωσης

Η νιτρίδωση χρησιμοποιείται σε εξαρτήματα που απαιτούν σκληρή, ανθεκτική στη φθορά επιφάνεια, διατηρώντας παράλληλα έναν ισχυρό πυρήνα και σχετικά μικρές διαστατικές αλλαγές.

Βιομηχανία μηχανών

• αναχώματα,
• άξονες,
• καρφίτσες,
• δακτύλιοι,
• γρανάζια,
• εξαρτήματα μετάδοσης,
• οδηγοί,
• μέρη υδραυλικών συστημάτων.

Αυτοκινητοβιομηχανία

• άξονες και εξαρτήματα συστήματος κίνησης,
• γρανάζια,
• καρφίτσες,
• στοιχεία μηχανισμών που εκτίθενται σε φθορά και κόπωση.

Βιομηχανία εργαλείων

• καλούπια για πλαστικά,
• μήτρες,
• καρφίτσες,
• εργαλεία θερμής εργασίας,
• στοιχεία διαμόρφωσης και καθοδήγησης.

Κατασκευή ειδικών μηχανημάτων

• στοιχεία που απαιτούν υψηλή αντοχή στη φθορά,
• μέρη μηχανών ακριβείας,
• στοιχεία που λειτουργούν υπό υψηλή επιφανειακή πίεση,
• μέρη που απαιτούν τον συνδυασμό σκληρής επιφάνειας με ισχυρό πυρήνα.

Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της νιτρίδωσης

• πολύ υψηλή σκληρότητα που είναι δυνατή σε σωστά επιλεγμένους χάλυβες,
• υψηλή αντοχή στην φθορά της επιφάνειας,
• δυνατότητα βελτίωσης της συμπεριφοράς κόπωσης,
• δεν χρειάζεται να σκληρύνετε το στοιχείο αμέσως μετά την εναζώτωση,
• σχετικά μικρές διαστατικές αλλαγές,
• δυνατότητα κατεργασίας τελικών ή σχεδόν ολοκληρωμένων εξαρτημάτων,
• η δυνατότητα ελέγχου της δομής των στρώσεων επιλέγοντας τεχνολογία και παραμέτρους.

Περιορισμοί της εναζώτωσης

• απαιτείται μεγάλος χρόνος για βαθιά στρώματα,
• ισχυρή εξάρτηση της τελικής σκληρότητας από τη χημική σύνθεση του χάλυβα,
• η ανάγκη σωστής προετοιμασίας του πυρήνα πριν από τη διαδικασία,
• η πιθανότητα σχηματισμού ενός ανεπιθύμητου στρώματος ένωσης,
• η ανάγκη για σχολαστική προετοιμασία της επιφάνειας,
• τεχνολογικοί περιορισμοί ανάλογα με τη γεωμετρία του εξαρτήματος και τη μέθοδο που χρησιμοποιείται.

Νιτριδίωση χάλυβα – οι πιο σημαντικές πληροφορίες

Νιτρίδωση χάλυβα είναι μια θερμοχημική διαδικασία επεξεργασίας που δημιουργεί ένα πολύ σκληρό και ανθεκτικό στη φθορά επιφανειακό στρώμα χωρίς την ανάγκη ωστενιτοποίησης και επακόλουθης ταχείας σκλήρυνσης του εξαρτήματος. Η διαδικασία βασίζεται στην παροχή ενεργού αζώτου στην επιφάνεια και στη διάχυσή του στο υλικό. Το προκύπτον στρώμα μπορεί να αποτελείται από ένα εξωτερικό σύνθετο στρώμα που περιέχει κυρίως γ′-Fe ​​​​φάσεις.₄Ν και ε-Fe_2-3Ν και το υποκείμενο στρώμα διάχυσης. Ιδιαίτερα καλά αποτελέσματα επιτυγχάνονται με χάλυβες που περιέχουν στοιχεία με υψηλή συγγένεια για το άζωτο, συμπεριλαμβανομένων του χρωμίου, του αλουμινίου και του βαναδίου. Για το λόγο αυτό, έχουν αναπτυχθεί ειδικοί χάλυβες για εναζώτωση, ένα κλασικό παράδειγμα των οποίων είναι 38HMJ.
Οι ιδιότητες του στρώματος δεν καθορίζονται από ένα ενιαίο παγκόσμιο εύρος θερμοκρασίας, σκληρότητας ή βάθους. Το αποτέλεσμα είναι συνάρτηση της ποιότητας του χάλυβα, της αρχικής μικροδομής, της θερμοκρασίας, του χρόνου, της ενεργότητας του αζώτου και της χρησιμοποιούμενης μεθόδου εναζώτωσης.
Χάρη στον συνδυασμό υψηλής επιφανειακής σκληρότητας, αντοχής στη φθορά και σχετικά μικρών διαστατικών αλλαγών, η νιτρίδωση είναι μια από τις σημαντικότερες τεχνολογίες επιφανειακής επεξεργασίας που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή κρίσιμων στοιχείων μηχανών, εργαλείων, καλουπιών, αξόνων, γραναζιών και εξαρτημάτων ακριβείας.

Μέθοδοι θερμικής και θερμοχημικής επεξεργασίας χάλυβα

Η επεξεργασία σε διάλυμα είναι μόνο μία από τις διεργασίες που χρησιμοποιούνται για την τροποποίηση της μικροδομής και των ιδιοτήτων του χάλυβα. Ανάλογα με το επιθυμητό αποτέλεσμα, χρησιμοποιούνται επίσης ομαλοποίηση, ανακούφιση από τις τάσεις, σκλήρυνση, επαναφορά κ.λπ., καθώς και θερμοχημικές διεργασίες όπως η ενανθράκωση, η νιτρίδωση και άλλες.

Μέθοδοι θερμικής επεξεργασίας χάλυβα

• Κανονικοποίηση χάλυβα – βελτίωση των κόκκων και ενοποίηση της μικροδομής.
• Συνεχής παρουσίαση – μείωση των υπολειμματικών τάσεων.
• Μαλάκωμα του χάλυβα – μείωση της σκληρότητας και βελτίωση της ευαισθησίας σε περαιτέρω επεξεργασία.
• Πλήρης ανόπτηση – ωστενιτοποίηση και αργή ψύξη.
• Ισοθερμική ανόπτηση – μετασχηματισμός που πραγματοποιείται διατηρώντας την θερμοκρασία σε σωστά επιλεγμένη θερμοκρασία.
• Ανόπτηση με σφαιρίδια – σφαιροποίηση – αλλαγή στη μορφολογία του σεμεντίτη ή άλλων καρβιδίων.
• Ανόπτηση ανακρυστάλλωσης – απομάκρυνση των επιπτώσεων της σύνθλιψης και αποκατάσταση της πλαστικότητας.
• Ομογενοποιητική ανόπτηση – μείωση του διαχωρισμού και ομογενοποίηση της σύνθεσης των υλικών.
• Σκλήρυνση και θερμική επεξεργασία – διαμόρφωση της μικροδομής και των ιδιοτήτων μέσω σκλήρυνσης και επαναφοράς.
• Σκλήρυνση χάλυβα – ελεγχόμενη τροποποίηση των ιδιοτήτων του χάλυβα μετά τη σκλήρυνση.
• Επαγωγική σκλήρυνση – επιφανειακή επαγωγική θέρμανση και ταχεία ψύξη.
• Σκλήρυνση με φλόγα – επιφανειακή σκλήρυνση μετά από τοπική θέρμανση με φλόγα.
• Υπερκορεσμός – λήψη υπερκορεσμένου στερεού διαλύματος μέσω κατάλληλου θερμικού κύκλου.
• Γηράσκων – ελεγχόμενος διαχωρισμός φάσεων που οδηγεί σε ενίσχυση του υλικού.

Μέθοδοι θερμοχημικής επεξεργασίας χάλυβα

• Νιτρίδωση χάλυβα – διαχυτικός εμπλουτισμός του επιφανειακού στρώματος με άζωτο.
• Ενανθράκωση χάλυβα – διαχυτικός εμπλουτισμός της επιφάνειας με άνθρακα.
• Καρβονιτρίωση – ταυτόχρονος εμπλουτισμός του επιφανειακού στρώματος με άνθρακα και άζωτο.
• Νιτροενανθράκωση / νιτροενανθράκωση – εμπλουτισμός του στρώματος κυρίως με άζωτο και άνθρακα.
• Γεώτρηση – κορεσμός διάχυσης της επιφάνειας με βόριο.
• Επιχρωμίωση διάχυσης – εμπλουτισμός διάχυσης του στρώματος με χρώμιο.
• Αλουμινοποίηση διάχυσης – εμπλουτισμός διάχυσης του στρώματος σε αλουμίνιο.