Nitrocarburarea / Nitrocarburarea oțelului – proces, strat compus, proprietăți și aplicații

Nitrocarburare, denumit și nitrocarburare, este un proces tratament termochimic constând în saturarea simultană a stratului superficial al materialului, în principal azot și într-o măsură mai mică cărbuneProcesul este utilizat în principal pentru a crește rezistența suprafeței la uzură, gripare și oboseală prin contact și – în variantele fabricate corespunzător – pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune.
În practica industrială, este de o importanță deosebită nitrocarburare feritică, FNC, efectuată la o temperatură la care oțelul rămâne în esență în domeniul feritic. Acest lucru distinge procesul de carbonitrurare, de obicei efectuată în domeniul austenitic și finalizată întărire.
În timpul nitrocarburării azot i cărbune difuzează în stratul superficial al oțelului și participă la formarea unei structuri caracteristice, constând de obicei din straturi de compuși și cea situată sub ea zonă de difuzie.
Procesul poate fi realizat folosind metode cu gaz, baie sau plasmă. Alegerea tehnologiei depinde de tipul de material, geometria componentei, grosimea și structura stratului necesare și proprietățile de performanță așteptate.

Nitrocarburare, nitrocarburare și carbonitrurare – diferențe în nomenclatură

Definiții nitrocarburare i nitrocarburare se referă la un proces în care componenta dominantă introdusă în stratul superficial este azot, A cărbune acționează ca o componentă suplimentară care influențează, printre altele, formarea unui strat de compuși.
Acest proces nu trebuie identificat cu carbonitrurare.

Prin urmare, carbonitrurarea este un proces mai apropiat de nitrurare decât de carburare. Cu toate acestea, introducerea de carbon suplimentar poate modifica cinetica de formare și compoziția stratului compus.

Ce este nitrocarburarea?

În timpul procesului, suprafața de oțel este expusă unui mediu care oferă o activitate activă azot i cărbune.
Atomii acestor elemente sunt adsorbiți la suprafață și apoi pătrund în material prin difuzie.
Ca urmare a procesului, se creează două zone principale:

• strat de compuși situat direct la suprafață,
• zonă de difuzie situat sub stratul de compuși.

Structura ambelor zone depinde de compoziția chimică a oțelului, temperatură, timp, potențialul de azot și carbon al atmosferei și tehnologia utilizată.

Strat de compuși după nitrocarburare

Un strat subțire se formează direct la suprafață un strat de compuși de fier cu azot și carbonÎn literatura tehnică, termenul este folosit și strat compus.
În funcție de parametrii procesului, stratul poate conține în principal următoarele faze:

• ε – Fe_2-3(N,C),
• γ′ – Fe₄N.

În nitrocarburare, se caută adesea să se obțină un strat cu o proporție mare de fază ε, deoarece prezența cărbune favorizează stabilizarea acestuia.
Stratul compus este principalul responsabil pentru rezistența ridicată a suprafeței la uzura adezivă și abraziune. Cu toate acestea, proprietățile sale depind nu numai de grosimea sa, ci și de compoziția sa în fază, compactitate și porozitate.
Un strat mai gros de compuși nu înseamnă întotdeauna un strat de uzură mai bun. Grosimea excesivă sau porozitatea nefavorabilă pot crește fragilitatea suprafeței și pot afecta comportamentul componentei sub anumite tipuri de încărcări.

Zona de difuzie

Sub stratul de compuși se află zonă de difuzie.
azot Pătrunde mult mai adânc decât grosimea stratului compus în sine. Poate exista în soluție solidă și poate forma nitruri și carbonitruri fine cu elemente cu o afinitate mare pentru azot.
De o importanță deosebită sunt:

• crom Cr,
• aluminiu Al,
• molibden Mo,
• vanadiu V,
• titan Ti.

Formarea precipitatelor fine de nitrură poate crește duritate zona de difuzie și influențează distribuția tensiunilor reziduale.
Zona de difuzie joacă un rol important în creșterea rezistenței la oboseală și susținerea stratului superficial subțire și foarte dur.

Structura stratului după nitrocarburare

Temperatura de nitrocarburare

Nitrocarburarea feritică se realizează cel mai adesea în intervalul de aproximativ 500-600 ° C, temperatura exactă depinde de material, tehnologie și proprietățile stratului necesare.
Temperaturile industriale obișnuite se găsesc în apropierea 570-590 ° C.
Procesul se desfășoară sub temperatura de transformare A₁, datorită căreia matricea oțelului rămâne în esență feritică și caracteristica clasică de austenitizare pentru întărire.
Acest lucru are implicații tehnologice semnificative. Temperatura mai scăzută a procesului reduce modificările dimensionale și riscul de distorsiune în comparație cu procesele care necesită austenitizare și călire ulterioară.

Parametri tipici de nitrocarburare

Intervalele furnizate sunt cu titlu informativ. Ciclul corespunzător trebuie selectat în funcție de gradul de oțel, prelucrarea anterioară, geometria componentei și caracteristicile stratului necesare.

Nitrocarburare gazoasă

Nitrocarburare gazoasă se realizează într-un cuptor în atmosferă controlată, asigurând azot i cărbune.
Una dintre sursele de azot poate fi amoniacul, în timp ce componenta de carbon poate proveni din gaze care conțin carbon, selectate corespunzător.
Controlul compoziției atmosferei, temperaturii și timpului permite controlul cineticii de creștere a stratului compus și a zonei de difuzie.
Avantajele metodei cu gaz includ posibilitatea efectuării procesului pentru un număr mare de elemente și controlul relativ precis al parametrilor atmosferici.

Nitrocarburare în baie

Nitrocarburare în baie se efectuează în băi de sare lichidă, permițând livrarea de azot activ și carbon la suprafața materialului tratat.
Metoda permite un schimb de căldură foarte intens și un impact uniform asupra mediului asupra suprafeței elementelor cu o formă complexă.
După etapa propriu-zisă de nitrocarburare, se pot aplica operațiuni suplimentare de răcire, lustruire și oxidare.
Tehnologia băii necesită un control strict al compoziției băii și proceduri tehnologice și de mediu adecvate.

Nitrocarburare cu plasmă

Nitrocarburare plasmatică utilizează o descărcare luminescentă într-o atmosferă gazoasă care conține componente de alimentare cu azot și carbon.
Piesa de prelucrat poate acționa ca un catod. Ionii generați în plasmă interacționează cu suprafața, facilitând activarea acesteia și transportul componentelor.
Avantajele procesului cu plasmă includ capacitatea de a controla cu precizie parametrii și de a proteja selectiv suprafețele care nu ar trebui tratate.

Nitrocarburare și nitrurare

Carbonitrurarea este un proces înrudit cu nitrurarea , dar prezența carbonului suplimentar afectează formarea și stabilitatea stratului compus.

Nitrocarburare și carburare

Carburare este un proces conceput în principal pentru a crește conținutul cărbune în stratul superficial al oțelului cu conținut scăzut de carbon.
După carburare, selectate corespunzător hartowanie și de obicei scăzut eliberându-mă, care creează un strat martensitic dur, menținând în același timp un miez mai ductil.
În nitrocarburare, mecanismul principal de întărire a suprafeței nu este formarea de martensită cu conținut ridicat de carbon. Aceste proprietăți rezultă în principal din prezența unui strat de compuși și azot în zona de difuzie.

De ce nitrocarburarea nu necesită călire clasică?

Nitrocarburarea feritică se efectuează sub temperatura A₁Prin urmare, nu se formează austenită, care ar suferi transformarea martensitică clasică în timpul răcirii rapide.
Duritatea suprafeței este rezultatul formării nitridelor, carbonitrurilor și fazelor stratificate și al interacțiunii azotului în zona de difuzie.
Acest lucru vă permite să evitați una dintre principalele surse de deformare tipice întărire.
Totuși, aceasta nu înseamnă o absență completă a modificărilor dimensionale. Orice tratament termic sau termochimic poate provoca unele modificări dimensionale rezultate din temperatură, tensiuni reziduale și modificări structurale.

Influența elementelor de aliere asupra nitrocarburării

Ce oțeluri pot fi nitrocarburate?

Nitrocarburarea poate fi utilizată pe multe tipuri de oțel, nu doar pe oțeluri speciale. oțel pentru nitrurare.
Procedeul este utilizat, printre altele, pentru:

• oțeluri structurale carbonate,
• oțeluri structurale aliate,
• oțel pentru îmbunătățirea termică,
• oțel pentru nitrurare,
• oțeluri de scule selectate,
• fontă, dacă compoziția și tehnologia necesară permit acest lucru.

În oțelurile care conțin Cr , Mo , V sau Al, este posibilă călirea zonei de difuzie deosebit de eficientă datorită formării de nitruri fine.

Nitrocarburarea oțelului după tratamentul termic

În multe aplicații, elementul este supus în prealabil nitrocarburării. îmbunătățire termică.
Acest lucru permite obținerea mai întâi a proprietăților necesare ale miezului – rezistența, limita de curgere și ductilitatea corespunzătoare – și apoi modificarea stratului subțire de suprafață prin nitrocarburare.
Temperatura precedentă temperare ar trebui selectate corespunzător în raport cu temperatura ulterioară de nitrocarburare, astfel încât procesul de suprafață să nu provoace o revenire nedorită a miezului și pierderea proprietăților obținute anterior.

Proprietățile stratului după nitrocarburare

Nitrocarburarea efectuată corect poate oferi o combinație favorabilă de proprietăți de suprafață.

Nitrocarburare cu oxidare

După nitrocarburare, se poate efectua o carburare suplimentară. oxidarea suprafeței.
La suprafață se formează apoi un strat subțire de oxizi de fier, în care magnetita Fe poate avea o importanță deosebită.₃O₄.
Conexiune:

poate crește rezistența la coroziune și poate da suprafeței un aspect caracteristic închis sau negru.
În funcție de tehnologie, lustruirea se utilizează și între etapele de nitrocarburare și oxidare finală.

QPQ – Procesul de călire-lustruire-călire

Una dintre evoluțiile tehnologiei de îmbăiere este procesul cunoscut sub numele de QPQ – Stingere–Polish–Stingere.
În termeni simplificați, aceasta include:

1. nitrocarburare suprafaţă,
2. prima etapă a tratamentului de răcire sau oxidare, în funcție de tehnologia specifică,
3. polizare suprafaţă,
4. etapa finală de oxidare.

Scopul este de a combina rezistența ridicată la uzură cu proprietăți tribologice favorabile, o calitate bună a suprafeței și o rezistență crescută la coroziune.
Denumirea QPQ este asociată cu o familie specifică de tehnologii și nu ar trebui utilizată automat ca sinonim pentru niciun proces de nitrocarburare cu oxidare ulterioară.

Pregătirea suprafeței pentru nitrocarburare

Starea suprafeței înainte de proces este de mare importanță pentru uniformitatea stratului.
Suprafața trebuie să fie lipsită de:

• uleiuri și grăsimi,
• produse de coroziune,
• scară,
• poluarea tehnologică,
• acoperiri care limitează accesul ingredientelor active la suprafață.

Pentru unele materiale, poate fi necesară o activare suplimentară a suprafeței. Acest lucru este important în special pentru materialele care creează straturi pasive durabile.

Influența timpului de procesare asupra stratului

Prelungirea timpului de nitrocarburare permite o difuzie suplimentară azot și creșterea adâncimii zonei de difuzie.
Asta nu înseamnă, însă, că procesul trebuie desfășurat cât mai mult timp posibil.
Excesul de timp poate duce la:

• creșterea excesivă a stratului compus,
• creșterea porozității sale,
• deteriorarea proprietăților mecanice ale suprafeței,
• creștere inutilă a costurilor de proces.

Prin urmare, parametrii ar trebui să rezulte din caracteristicile necesare ale stratului și nu din principiul „cu cât stratul este mai gros, cu atât mai bine”.

Aplicarea nitrocarburării

Nitrocarburarea este utilizată în producția de componente expuse la frecare, uzură, gripare și sarcini variabile.
Aplicațiile tipice includ:

• arbori și role,
• angrenaje,
• bucșe și știfturi,
• componente de transmisie,
• camere video,
• arbori cu came,
• elemente ale sistemelor hidraulice și pneumatice,
• piese de pompă,
• ghizi,
• elemente ale mașinilor de lucru,
• părți ale industriei auto,
• uneltele și echipamentele selectate.

Avantajele nitrocarburării

• rezistență ridicată la uzură superficială,
• rezistență sporită la abraziune,
• posibilitatea îmbunătățirii rezistenței la oboseală,
• posibilitatea creșterii rezistenței la coroziune după un tratament suplimentar adecvat,
• temperatură de proces relativ scăzută,
• nu este nevoie de întărirea clasică după nitrocarburarea feritică,
• risc mai mic de deformare decât în ​​procesele care necesită austenitizare și călire,
• posibilitatea prelucrării dimensiunilor finite sau aproape finite ale elementelor,
• poate fi utilizat pentru multe tipuri de oțel.

Limitările nitrocarburării

• stratul este mult mai superficial decât stratul tipic obținut prin carburare,
• procesul nu înlocuiește tratamentul termic adecvat al miezului,
• un strat excesiv de gros sau poros de compuși poate fi nefavorabil,
• eficacitatea procesului depinde de compoziția chimică a materialului,
• Pregătirea necorespunzătoare a suprafeței poate cauza o saturație neuniformă,
• Parametrii procesului trebuie să țină cont de tratamentul termic anterior al componentei.

Inspecția stratului după nitrocarburare

Calitatea stratului poate fi evaluată prin examinare și măsurători metalografice duritate și analiza structurii și compoziției fazelor.
Printre altele, se verifică următoarele:

• grosimea stratului de compus,
• adâncimea zonei de difuzie,
• porozitatea stratului compus,
• profilul de microduritate de la suprafață spre miez,
• uniformitatea straturilor,
• structură metalografică,
• proprietăți tribologice, dacă este necesar,
• rezistența la coroziune în cazul proceselor concepute și în acest scop.

Nitrocarburarea, sau nitrocarburarea, este un tratament termochimic care constă în introducerea simultană în principal a azot și o cantitate mai mică cărbune.
Cea mai importantă variantă industrială este FNC de nitrocarburare feritică, efectuată sub temperatura A₁, cel mai adesea în intervalul de aproximativ 500–600°C.
Procesul creează un strat subțire strat de compuși, conținând în principal faze ε-Fe_2-3(N,C) și γ′-Fe₄N, și cel de sub el zonă de difuzie.
Un strat construit în acest fel poate oferi o rezistență ridicată la uzură și gripare, proprietăți îmbunătățite la oboseală și – în special după oxidare suplimentară – o rezistență sporită la coroziune.
Nitrocarburarea nu trebuie confundată cu carbonitrurareÎn nitrocarburare, componenta dominantă este azotul. Procesul se desfășoară cel mai adesea în domeniul feritic și nu necesită călire clasică. Carbonitrurarea, pe de altă parte, este un proces înrudit. carburare, efectuată de obicei în domeniul austenitic și finalizată cu călire.

Metode de tratare termică și termochimică a oțelului

Carbonitrurarea este doar unul dintre procesele utilizate pentru modificarea microstructurii și a proprietăților oțelului. În funcție de efectul dorit, se utilizează normalizarea, detensionarea, călirea, revenirea etc., precum și procese termochimice precum carburarea, nitrurarea și altele.

Metode de tratare termică a oțelului

• Normalizarea oțelului – rafinarea granulelor și unificarea microstructurii.
• Wyżarzanie odprężające – reducerea tensiunilor reziduale.
• Înmuierea oțelului – reducerea durității și îmbunătățirea susceptibilității la prelucrări ulterioare.
• Recoacere completă – austenitizare și răcire lentă.
• Recoacere izotermă – transformare efectuată menținându-se la o temperatură selectată corespunzător.
• Recoacere cu bile – sferoidizare – modificarea morfologiei cementitei sau a altor carburi.
• Recoacere prin recristalizare – înlăturarea efectelor de strivire și refacerea plasticității.
• Recoacere de omogenizare – reducerea segregării și omogenizarea compoziției materialelor.
• Întărire și tratament termic – modelarea microstructurii și a proprietăților prin călire și revenire.
• Revenire oțel – modificarea controlată a proprietăților oțelului după călire.
• Călire prin inducție – încălzire prin inducție superficială și răcire rapidă.
• Călire la flacără – întărire superficială după încălzire locală cu flacără.
• Suprasaturație – obținerea unei soluții solide suprasaturate printr-un ciclu termic adecvat.
• Îmbătrânire – separare controlată a fazelor care duce la întărirea materialului.

Metode de tratare termochimică a oțelului

• Nitrurarea oțelului – îmbogățirea prin difuzie a stratului superficial cu azot.
• Cementarea oțelului – îmbogățirea difuzivă a suprafeței cu carbon.
• Carbonitrurare – îmbogățirea simultană a stratului superficial cu carbon și azot.
• Nitrocarburare / nitrocarburare – îmbogățirea stratului în principal cu azot și carbon.
• Foraj – saturația prin difuzie a suprafeței cu bor.
• Placare cu crom difuz – îmbogățirea prin difuzie a stratului cu crom.
• Aluminizare prin difuzie – îmbogățirea prin difuzie a stratului în aluminiu.