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.