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La nitruración del acero es una práctica no tan antigua de saturación difusa de su capa superficial con nitrógeno. A escala industrial, este método se ha utilizado solo desde los años 20 del siglo pasado. Este procedimiento propuesto por el académico N.P. Chizhevsky mejora significativamente la calidad de los productos de acero de muchas maneras.

La esencia del proceso de nitruración.

En comparación con la cementación, la nitruración tiene varias ventajas importantes, lo que la convirtió en la principal forma de mejorar el rendimiento del acero. La capa nitrurada tiene una alta dureza sin tratamiento térmico adicional. Además, después de la nitruración, el tamaño de la pieza permanece prácticamente sin cambios. A diferencia del proceso de cementación, se puede aplicar a productos terminados que se han enfriado térmicamente con alto temple y pulido hasta formas finales. Después de la nitruración, las piezas están completamente preparadas para el pulido fino y otros procesos.

La nitruración es el tratamiento del acero durante su calentamiento en un entorno de alto contenido de amoníaco. Como resultado, la superficie de acero está saturada con nitrógeno y adquiere las siguientes cualidades:

  • La resistencia al desgaste de las piezas metálicas se mejora al aumentar el índice de dureza de su capa superficial;
  • Resistencia creciente o resistencia a la fatiga de los productos de acero;
  • El material tratado adquiere una protección duradera contra la corrosión, que se mantiene en contacto con agua, aire y aire de vapor-aire.

Los resultados de nitruración son mucho más valiosos en términos de mayor explotación que los indicadores de producto después de la cementación. Por lo tanto, la capa después de la cementación puede mantener valores de dureza estables a una temperatura que no exceda los 225 ° C, y una capa con nitrógeno, hasta 550-600 ° C. La razón de esto es el mecanismo de nitruración en sí mismo, como resultado de lo cual se forma una capa superficial, que es 1.5–2 veces más fuerte que después del endurecimiento y la misma cementación.

Mecanismo de nitruración

Por lo general, este procedimiento ocurre a 500-600 ° C en una retorta herméticamente cerrada (mufla) de hierro, que está incrustada en el horno. Se calienta a una temperatura correspondiente al modo seleccionado, y se mantiene el tiempo requerido. En la mufla, que es un contenedor, coloque elementos de acero que estarán expuestos a la nitruración.

En una retorta, el amoníaco se lanza continuamente desde un cilindro bajo cierta presión. En su interior, el amoníaco, que tiene nitrógeno en su molécula, bajo la acción de la temperatura, comienza la disociación (descomposición) de acuerdo con la siguiente fórmula:

2 NH 3 → 6 H +2 N,

de donde el nitrógeno atómico resultante penetra en el metal por difusión. Esto conduce a la formación de nitruros en la superficie de los productos de hierro. Y los nitruros y sus soluciones sólidas se caracterizan por una mayor dureza. Al final del procedimiento, el horno debe enfriarse suavemente con el flujo de amoníaco. Este enfoque corrige el efecto sobre la dureza de la capa, evitando que la superficie se oxide.

El grosor de esta capa de nitruro puede variar de 0, 3 a 0, 6 mm. Por lo tanto, no hay necesidad de un tratamiento térmico posterior para aumentar las características de resistencia .

La formación de una capa rica en nitrógeno es compleja, pero bien estudiada por los metalúrgicos. En la aleación, que se forma debido a la difusión de nitrógeno en el metal, se observan las siguientes fases:

  • Solución sólida de Fe3N con un contenido de nitrógeno de 8.0-11.2%;
  • Solución sólida de Fe4N con un contenido de nitrógeno de 5.7-6.1%;
  • Solución N en la glándula α.

Cuando el proceso llega a una temperatura que supera los 591 ° C, se puede observar una fase α adicional. Cuando alcanza el límite de saturación, genera la siguiente fase. La descomposición eutectoide produce un 2, 35% de nitrógeno.

Factores que afectan la nitruración.

Los puntos principales que tienen un impacto clave en el proceso son la temperatura, la presión del gas y la nitruración prolongada. La eficiencia también depende del grado de disociación del amoníaco, que puede estar en la región del 15-45% . Además, existe una cierta relación: cuanto mayor es la temperatura, menor es la dureza de la capa de nitruración, pero mayor es la velocidad de difusión. El índice de dureza es causado por la coagulación de nitruros.

Para utilizar el mecanismo al máximo y acelerarlo, recurra a un modo de dos etapas. La etapa inicial de enriquecimiento con nitrógeno tiene lugar a temperaturas de hasta 525 ° C, lo que garantiza una alta dureza de las capas superiores de acero. Luego, la nitruración pasa la segunda etapa a una temperatura de 600 ° C a 620 ° C. Al mismo tiempo, en muy poco tiempo, la profundidad de la capa nitrada alcanza los valores establecidos, lo que acelera todo el proceso casi 2 veces. Sin embargo, la dureza de la capa formada como resultado de la etapa de aceleración no será diferente de la capa formada por la técnica estándar de etapa única.

Lo que se volvió nitrurado

Tanto los aceros al carbono como los aceros aleados se utilizan para la nitruración, en la que la fracción de carbono es de 0.3-0.5% . El mejor resultado se puede obtener cuando se usa acero con metales de aleación, que forman los nitruros más resistentes al calor y más sólidos. Por lo tanto, el proceso de nitruración es el más efectivo para los aceros aleados, que incluyen aluminio, molibdeno, cromo y metales similares. El acero con tal composición se llama nitralloy. El molibdeno, en particular, evita la fragilidad del temple causada por el lento enfriamiento del acero después del proceso de saturación con nitrógeno. Características del acero después de la nitruración:

  • La dureza del acero al carbono - HV 200-250;
  • Aleación - HV 600-800;
  • Nitralloy hasta HV 1200 e incluso superior.

Al mismo tiempo, a medida que aumenta la dureza a través del compuesto de aleación, el espesor de la capa nitrada es menor. La capa más fina está formada por acero con elementos de cromo, tungsteno, níquel, molibdeno.

Grados de acero recomendados

El uso de un grado de acero particular depende de la operación posterior del elemento metálico. Marcas recomendadas para nitruración dependiendo de la finalidad de los productos:

  • Si es necesario obtener piezas con alta dureza superficial - acero grado 38 steel2МЮА. Cabe señalar que contiene aluminio, lo que conduce a una baja resistencia a la deformación del producto. Si bien el uso de calidades que no son de aluminio reduce significativamente la dureza de la superficie y la resistencia al desgaste, aunque permite crear estructuras más complejas;
  • Para máquinas herramientas se utilizan para mejorar el grado de acero aleado 40X, 40HFA;
  • Para piezas sometidas a cargas de flexión cíclica: acero grado 30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА;
  • Para unidades de combustible, los detalles de los cuales deben fabricarse con alta precisión: grado de acero 30H3MF1. Para obtener una mayor dureza de la capa saturada de nitrógeno, este grado de acero se alea con silicio.

Tecnologia de proceso

La preparación, la saturación de nitrógeno y el acabado de la capa superior de acero y aleaciones implican varios pasos:

  1. Tratamiento térmico preparatorio del metal, que consiste en temple y alto temple. El interior del producto se vuelve más viscoso y duradero. El enfriamiento se realiza a una temperatura muy alta de aproximadamente 940 ° C y finaliza enfriándose en un líquido - aceite o agua. Las condiciones de temperatura del revenido son 600-700 ° C, lo que confiere al metal una dureza adecuada para el corte;
  2. Mecanizado de piezas, que finaliza con el rectificado. Después de este procedimiento, la pieza alcanza el tamaño deseado;
  3. Medidas de precaución para aquellas partes de productos que deben estar sujetos a saturación de nitrógeno. Para hacer esto, use formulaciones simples como estaño o vidrio líquido, aplicadas por una capa de no más de 0.015 mm por electrólisis. La formación de una película delgada, impermeable al nitrógeno;
  4. Nitruración de acero según la tecnología anterior;
  5. Acabado llevar los detalles al estado deseado.

En este caso, los espacios en blanco de forma compleja con paredes delgadas se refuerzan a 520 ° C.

Con respecto al cambio en los parámetros geométricos de los productos después del proceso de nitruración, se observa que depende del grosor de la capa resultante saturada de nitrógeno y las temperaturas utilizadas. Sin embargo, este cambio es insignificante en cualquier caso.

Cabe señalar que los métodos modernos de procesamiento de metales mediante el método de nitruración se llevan a cabo en hornos de una estructura de mina. La temperatura máxima de la cual puede alcanzar los 700 ° C, la circulación de amoníaco en tales hornos es forzada. La mufla se puede construir en el horno o reemplazable.

El proceso será mucho más rápido si introduce una mufla adicional. Luego, la mufla de repuesto con las piezas se carga inmediatamente después de que la primera está lista con los espacios en blanco procesados. Sin embargo, el uso de este método no siempre está justificado económicamente, especialmente cuando los productos grandes están saturados con nitrógeno.

Opciones de medios para el mecanismo de nitruración.

Amoniaco - medio de propano

Recientemente, el método de tratamiento de un metal con gas que consiste en la mitad de amoníaco y la mitad de propano, o en las mismas proporciones de amoníaco y endogas, se ha utilizado de manera muy activa. Este entorno permite realizar el procedimiento a las 3 horas a 570 ˚С . La capa de nitruro de carbono formada en este caso se caracteriza por un pequeño espesor. Pero su resistencia al desgaste y su resistencia son mucho más altas que las de la capa obtenida por el método habitual. La dureza de esta capa está en el rango de 600-1100 HV. Dicho enfoque se utiliza para productos hechos de aleaciones aleadas o acero, a los que se han presentado requisitos especiales para una máxima resistencia operativa.

Descarga de resplandor

También se utiliza la tecnología de endurecimiento en un entorno descargado que contiene nitrógeno. En este caso, se utiliza un método de descarga incandescente, que conecta partes metálicas al cátodo. En este caso, el blanco es un electrodo cargado negativamente, y la mufla es un cargado positivamente.

Esta tecnología permite reducir la duración del proceso varias veces. Una descarga se excita entre más y menos, los iones de gas (N2 o NH3) se extraen sobre la superficie del cátodo, calentándolo a la temperatura requerida. Esto sucede en etapas: primero, la pulverización catódica, la superficie se limpia y luego se satura.

La primera etapa de pulverización debe realizarse a una presión de 0, 2 mm Hg y una tensión de 1400 V durante 5-60 minutos. Al mismo tiempo, la superficie calienta hasta 250 ˚С. La segunda etapa se lleva a cabo a una presión de 1-10 mm de mercurio y una tensión de 400-1100 V, que dura 1-24 horas.

Medio liquido

El proceso de tenifer, que es nitruración en un líquido que pasa en la capa de cianuro fundido a 570 ° C durante 30–180 minutos, es muy efectivo.

Nitruración - conclusiones

La nitruración es una de las formas más populares de llevar las piezas metálicas a los mejores indicadores de resistencia al desgaste. Además, las capas superficiales resultantes de la saturación de nitrógeno tienen una alta resistencia a la corrosión. Los productos saturados de nitrógeno no requieren endurecimiento térmico adicional. Como resultado, la nitruración se ha convertido en un proceso clave para el mecanizado de piezas en ingeniería mecánica, construcción de máquinas-herramienta y otras áreas que imponen altas exigencias a los componentes.

La nitruración tiene sus inconvenientes, que consisten en el alto costo y la duración de su implementación. Por lo tanto, a temperaturas de 500 ° C, el nitrógeno penetra a 0.01 mm (o menos) por hora. Según este hecho, el tiempo total de todo el proceso a veces alcanza las 60 horas.

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Categoría:

Metalurgia