Vybrané technologie povrchových úprav Nitridace Doc. Ing. Karel Daďourek 2006
Diagram Fe N - nitridy Nitrid Fe 4 N s KPC mřížkou také γ fáze. Tvrdost 450 až 500 HV. Přítomnost uhlíku v oceli jeho výskyt silně omezuje. Nitrid Fe 2-3 N 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 karbonitrid Fe 2-3 (C,N), který je křehčí a má tvrdost 400 až 450 HV. Nitrid Fe 2 N, označovaný jako ξ fáze. Je křehký a proto nežádoucí. Eutektoid při 590 o C, 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 nitridace Na rozdíl od cementace daleko univerzálnější zvýšení tvrdosti povrchu zvýšení otěruvzdornosti snížení koeficientu tření zvýšení korozivzdornosti zlepšení únavových vlastností.
Vlastnosti jednotlivých fází čistý ferit s rozpuštěným dusíkem (tzv. difuzní vrstva) vrstva je měkčí, méně odolná otěru, má ale výbornou houževnatost a odolnost lomu. Zvyšuje se též únavová pevnost. čistá γ fáze je maximálně otěruvzdorná, má nejvyšší tvrdost, je relativně houževnatá čistá ε 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 o C. Pod příliš pomalá difuze dusíku, nad vzniká brownit. Pomalá difuze = dlouhé časy nitridace = tenké vrstvy Výjimečně nitridace i při vyšší teplotě, nevadíli přílišná křehkost vrstvy např. antikorozní nitridace. Dusík v molekulárním stavu N 2 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, -NO 3 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 :NH 3 = [N] + 3/2 H 2 Pak dusíkový potenciál K N = p(nh 3 ) / p(h 2 ) 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 N 2 O (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 - N Současná 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 karbonitridε, nebo karbonitridy legur. Nitrid γ rozpouští jen málo množství uhlíku, jeho tvorba silně potlačena. Zato vrstva karbonitriduε 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 CO 2 nebo H 2 O. Zlepšení třecích vlastností, především díky zvýšené pórovitosti vrstvy, která pak snadněji udrží mazací olej.