Nitriding

Введение

Процесс затвердевания корпуса диффузионным азотом Нитрирование - это процесс термической обработки, при котором азот диффундируется на поверхность металла для создания твердой поверхности корпуса. Эти процессы чаще всего используются на низколегированных сталях. Они также используются на титане, алюминии и молибдене. Типичные применения включают передачи, коленчатые валы, гребные валы, гребные шлейфы, части клапанов, экструдерные винты, инструменты литья, кованые штампы, экструзионные штампы, компоненты огнестрельного оружия, инжекторы и инструменты пластиковой формы.

Процессы

Процессы названы в честь среды, используемой для донорства. Три основных метода: нитрирование газом, нитрирование соляной ванной и нитрирование плазмой.

Нитрирование плазмы

Плазменное нитрирование, также известное как ионное нитрирование, плазменное ионное нитрирование или нитрирование с пламенным разрядом, является промышленной обработкой поверхностного закаливания металлических материалов. При нитрировании плазмы реактивность нитрирующей среды обусловлена не температурой, а ионизированным состоянием газа. При этом методе интенсивные электрические поля используются для генерации ионизированных молекул газа вокруг поверхности, подлежащей нитрированию. Такой высокоактивный газ с ионизированными молекулами называется плазмой, назвав эту технику. Газ, используемый для нитрирования плазмы, обычно представляет собой чистый азот, поскольку не требуется спонтанного разложения (как в случае нитрирования аммиаком). Существуют горячие плазмы, типизированные плазменными струями, используемые для резки, сварки, облицовки или распыления металла. Существуют также холодные плазмы, обычно генерируемые внутри вакуумных камер при режимах низкого давления. Обычно сталь благотворно обрабатывается нитрированием плазмы. Этот процесс позволяет тщательно контролировать нитридированную микроструктуру, позволяя нитридировать с образованием слоя соединения или без него. Не только повышается производительность металлических деталей, но и увеличивается срок службы, а также ограничение на натяжение и устойчивость к усталости обрабатываемых металлов. Например, механические свойства аустенитовой нержавеющей стали, такие как устойчивость к износу, могут быть значительно увеличены, а поверхностная твердость инструментальных сталей может быть удвоена. Например, при умеренных температурах (например, 420 °C) нержавеющие стали могут быть нитридированы без образования осадков нитрида хрома и, следовательно, сохраняя свои свойства коррозионной стойкости. В процессах нитрирования плазмы газом азота (N2) обычно является газ, несущий азот. Также используются другие газы, такие как водород или аргон. Действительно, аргон и водород могут использоваться до процесса нитрирования во время нагрева деталей для очистки поверхностей, подлежащих нитрированию. Эта процедура очистки эффективно удаляет окислительный слой с поверхностей и может удалять мелкие слои растворителей, которые могут остаться. Это также способствует тепловой стабильности плазменной установки, поскольку тепло, добавленное плазмой, уже присутствует во время нагрева, и, следовательно, как только достигнута температура процесса, фактическое нитрирование начинается с незначительных изменений нагрева. Для нитрирования также добавляется водородный газ, чтобы сохранить поверхность свободной от оксидов. Этот эффект можно наблюдать, анализируя поверхность детали при нитрировании (см. например).

Plasma nitriding, also known as ion nitriding, plasma ion nitriding or glow discharge nitriding, is an industrial surface hardening treatment for metallic materials. In plasma nitriding, the reactivity of the nitriding media is not due to the temperature but to the gas ionized state. In this technique intense electric fields are used to generate ionized molecules of the gas around the surface to be nitrided. Such highly active gas with ionized molecules is called plasma, naming the technique. The gas used for plasma nitriding is usually pure nitrogen, since no spontaneous decomposition is needed (as is the case of nitriding with ammonia). There are hot plasmas typified by plasma jets used for metal cutting, welding, cladding or spraying. There are also cold plasmas, usually generated inside vacuum chambers, at low pressure regimes. Usually steels are beneficially treated with plasma nitriding. This process permits the close control of the nitrided microstructure, allowing nitriding with or without compound layer formation. Not only is the performance of metal parts enhanced, but working lifespans also increase, and so do the strain limit and the fatigue strength of the metals being treated. For instance, mechanical properties of austenitic stainless steel like resistance to wear can be significantly augmented and the surface hardness of tool steels can be doubled. For instance, at moderate temperatures (like 420 °C), stainless steels can be nitrided without the formation of chromium nitride precipitates and hence maintaining their corrosion resistance properties. In the plasma nitriding processes, nitrogen gas (N2) is usually the nitrogen carrying gas. Other gasses like hydrogen or argon are also used. Indeed, argon and hydrogen can be used before the nitriding process during the heating of the parts to clean the surfaces to be nitrided. This cleaning procedure effectively removes the oxide layer from surfaces and may remove fine layers of solvents that could remain. This also helps the thermal stability of the plasma plant, since the heat added by the plasma is already present during the warm up and hence once the process temperature is reached the actual nitriding begins with minor heating changes. For the nitriding process hydrogen gas is also added to keep the surface clear of oxides. This effect can be observed by analysing the surface of the part under nitriding (see for instance).

Материалы для нитрирования

Примеры легко нитридуемых сталей включают SAE 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 и 9800 серии, сталь авиационного качества Великобритании BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), нержавеющую сталь, некоторые инструментальные сталь (например, H13 и P20) и некоторые чугунные сплавы. В идеале сталь для нитрирования должна быть в закаленном и закаленном состоянии, требуя, чтобы нитрирование происходило при температуре ниже, чем последняя температура закаливания. Лучше всего, если поверхность будет хорошо обернута или заземлена. После нитрирования следует удалить минимальное количество материала, чтобы сохранить твердость поверхности. Нитридные сплавы - это сплавы стали с нитридными элементами, такими как алюминий, хром, молибден и титан. В 2015 году нитрид использовался для создания уникальной дуплексной микроструктуры в железомангановом сплаве (мартенсит аустенит, аустенит феррит), который, как известно, связан с сильно улучшенными механическими свойствами.

История

Систематическое исследование влияния азота на поверхностные свойства стали началось в 1920-х годах. Исследование газового нитрирования началось независимо в Германии и Америке. В Германии этот процесс был встречен с энтузиазмом, и было разработано несколько сортов стали с учетом нитрирования: так называемые нитрирующие стали. В Америке это было менее впечатляюще. С таким небольшим спросом этот процесс был в основном забыт в США. После Второй мировой войны этот процесс был вновь введен из Европы. В последние десятилетия было проведено много исследований для понимания термодинамики и кинетики реакций.