Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Vybrané technologie
povrchových úprav
Nitridace© Doc. Ing. Karel Daďourek
2006
Diagram Fe – N - nitridy• Nitrid Fe 4N s KPC mřížkou –
také γ´ fáze. Tvrdost 450 až 500 HV. Přítomnost uhlíku v oceli jeho výskyt silně omezuje.
• Nitrid Fe 2-3N s HTU mřížkou, také ε fáze. Je stabilní ve velmi širokém rozsahu obsahu dusíku. Má tvrdost 250 až 300 HV. Je-li v oceli přítomen ve větším množství i uhlík, vzniká karbonitridFe2-3(C,N), který je křehčí a má tvrdost 400 až 450 HV.
• Nitrid Fe 2N, označovaný jako ξfáze. Je křehký a proto nežádoucí.
• Eutektoid při 590 oC, označovaný jako brownit . Je velmi křehký a proto nežádoucí.
Ferit s dusíkem
• Ferit – rozpouští max 0,11 % N
• S klesající teplotou se rozpustnost snižuje až na 0,004 % N při pokojové teplotě.
• V přítomnosti dalších příměsí, především W, Mo,Cr, Ti a V , se silně zvyšuje rozpustnost dusíku ve feritu, až na 3 %.
Složení typické nitridační vrstvy
Metalografie vrstvy
Přehřátá nitridační vrstva
Tvrdost po nitridaci
• V uhlíkové oceli jsou všechny nitridační fáze méně tvrdé než běžný martenzit.
• Chceme-li získat v důsledku nitridace tvrdý povrch, musí být v oceli přítomná některá příměs, vytvářející tvrdé nitridy – Al, Ti,Mo, Cr - oceli nitridační.
• Průběh tvrdosti v typických nitridačních ocelích může dosahovat až 1300 HV.
• Ve vrstvě nitridů, případně i ve feritu těsně pod ní, se pak vyskytují jehlice nitridů příměsí.
• Kalení po nitridaci nemá smysl
Vliv příměsí na nitridaci
Účely nitridaceNa rozdíl od cementace daleko
univerzálnější• zvýšení tvrdosti povrchu• zvýšení otěruvzdornosti • snížení koeficientu tření• zvýšení korozivzdornosti• zlepšení únavových vlastností.
Vlastnosti jednotlivých fází
• čistý ferit s rozpušt ěným dusíkem (tzv. difuznívrstva) – vrstva je měkčí, méně odolná otěru, má ale výbornou houževnatost a odolnost lomu. Zvyšuje se též únavová pevnost.
• čistá γγγγ´ fáze … je maximálně otěruvzdorná, má nejvyšší tvrdost, je relativně houževnatá
• čistá εεεε fáze …. Je křehčí, má velmi nízký koeficient tření, má vysokou korozní odolnost, ale menší otěruvzdornost.
Možnosti ovládání složení vrstvy
• Složení povrchu silně závisí na složení nitridované oceli.
• Uhlík v oceli podporuje tvorbu nitridu ε a potlačuje tvorbu nitridu γ.
• K různým účelům by bylo dobré ovládat složení povrchové vrstvy složením nitridační atmosféry, tyto možnosti jsou však silně omezené.
• Nejlépe se dá ovládat složení povrchové vrstvy při nitridaci v anomálním doutnavém výboji.
Vzhled různých typů vrstev
Základní podmínky nitridace• Běžné nitridační teploty jsou 450 až 590 oC.
Pod příliš pomalá difuze dusíku, nad vzniká brownit.
• Pomalá difuze = dlouhé časy nitridace = tenké vrstvy
• Výjimečně nitridace i při vyšší teplotě, nevadí-li přílišná křehkost vrstvy – např. antikorozní nitridace.
• Dusík v molekulárním stavu N2 nemůže difundovat do povrchu oceli.
• Nutno mít dusíkové atomy nebo ionty
Nitridace v solné lázni• Nitridace se provádí v roztavených solných
lázních – hlavní složkou jsou kyanidy a kyanatany
• Nositeli dusíku jsou radikály -CN, -CNO, -NO3
• Nabídka dusíku je velká, metoda je velmi jednoduchá a rychlá
• Vzhledem k jedovatosti kyanidů je tato metoda dnes prakticky všude zakázána.
• V malém množství je možné použít k nitridaci roztavené ferikyanidy nebo ferokyanidy.
• Hledají se nové vhodné soli
Nitridace ve čpavku – v plynu• Nitridace při
atmosférickém tlaku • Čpavek se částečně
rozkládá katalyticky ve speciální retortě – štěpič
• Je to dnes nejběžnější nitridační metoda.
• Poměrně špatně regulovatelná
Dusíková sonda HydroNit • Pokusy zavést dusíkový potenciál atmosféry. • Rekombinace vodíku do molekul probíhá rychleji než
dusíku, rovnice :NH3 = [N] + 3/2 H2
• Pak dusíkový potenciál KN = p(NH3) / p(H2)3/2
• Parciální tlak vodíku je snímán z difuze vodíku stěnou speciální trubice
Hloubka nitridace v plynu
Vakuová nitridace• Nitridační atmosféra je složena z dusíku, čpavku a
oxidu dusného N2O (rajský plyn)• Ten působí jako aktivátor nitridace.• Štěpí se molekulární dusík na povrchu oceli a
difunduje do ní. • Vznikající nitridační vrstva je bezporézní, vždy ale
obsahuje určité množství kyslíku. • Proces je patentován pod jmény ALNAT N nebo
NITRAL. • Rychlost difuze vyšší než při nitridaci v plynu, ale
nižší než v anomálním doutnavém výboji.
Nitridace ve výboji
• Nitridace v anomálním doutnavém výboji• Také iontová nebo plasmová nitridace.• Moderní metoda nitridace, prováděná ve vakuu. • Dusík je při ní přítomen ve formě iontů, které
mohou velmi dobře difundovat do povrchu oceli. • Je rychlejší než nitridace v plynu. • Je také lépe regulovatelná. • Bližší popis bude uveden v souvislosti s
anomálním doutnavým výbojem.
Porovnání rychlostí nitridací
Ternární diagram Fe – C - NSoučasná difuze uhlíku a dusíku se vzájemně podporuje –vyšší rychlost a větší hloubky
Vztah ternárního a binárních diagramů
Karbonitridace ocelí
• Aktivní atmosféra jako při nitridaci, ale obohacená o zdroj uhlíku – nejčastěji malé množství některého plynného uhlovodíku.
• Probíhá při stejných teplotách jako nitridace, ale je rychlejší.
• Na povrchu oceli vznikají karbonitrid ε, nebo karbonitridy legur.
• Nitrid γ´ rozpouští jen málo množství uhlíku, jeho tvorba silně potlačena. Zato vrstva karbonitridu ε je mnohonásobně silnější než při nitridaci.
• Po karbonitridaci se již ocel jen pomalu ochladí a dále tepelně nezpracovává.
Nitrocementace ocelí• V zásadě jde o cementaci• Nitrocementace probíhá při stejných teplotách jako
cementace • Difuze uhlíku do oceli je urychlována současnou difuzí
malého množství dusíku. • Cementační aktivní atmosféra je obohacena o zdroj
dusíku, zpravidla o malé množství čpavku.• Dusík se projeví pouze urychlením difuze uhlíku, jeho
malé množství se rozpouští v austenitu a ve struktuře oceli není pozorovatelné.
• Musí následovat kalení a případně i popouštění stejně jako po cementaci
Další kombinované metody- Sulfonitridace – současná difuze síry při nitridaci, ke zlepšení třecích vlastností. Sulfidy mají nízký koeficient tření.•Oxinitridace – označovaná např. PRONOX – zesílení nitridační vrstvy, často ve vakuu v atmosféře CO2 nebo H2O. Zlepšení třecích vlastností, především díky zvýšené pórovitosti vrstvy, která pak snadněji udrží mazací olej.