Vid nitrering tillförs kväve till stålets yta från ett kväveavgivande medium vid en temperatur på 500-550 °C. Under processen bildas en föreningszon, ca 0 – 20 µm, huvudsakligen bestående av y’-fas, men även en viss mängd ɛ-fas, beroende av stålsort. I området under föreningszonen bildas en diffusionszon, ca 0,05-0,8 mm. För att uppnå stora härddjup blir nitrertiderna mycket långa, från tio till hundratals timmer, efter som diffusionshastigheten för kväve är låg vid aktuella temperaturer. Nitrering kan utföras i gas, plasma eller saltbad.
Grunderna för Nitrering
Låt oss nu på Electroheat beskriva grunderna för nitrering med tonvikt på gasprocesser. Nitrering utförs normalt i konvektionsugnar och är en särskild form av värmebehandling som är en av våra tjänster. I konventionsugnen utförs nitreringen i en atmosfär av ammoniak som kvävegivande medium. Ammoniaken kan spädas med kväve eller väte. Komponterna som ska nitreras lastas på fixturer eller i korgar och förs in i ugnen, varefter ugnen stängs. Det är viktigt att nitrerugnarna är täta både av säkerhetsskäl och för att ammoniakgasen luktar illa. Den är dessutom hälsovådlig, men först vid högre koncentrationer än den som ger tydlig lukt.
Inom ett speciellt koncentrationsområde bildar ammoniak och syrgas en explosiv blandning (eftersom ammoniak krackar till vätgas). För att eliminera explosionsrisken måsten därför ugnen av säkerhetsskäl evakueras på syre innan ammoniaken kan tillsättas. Det kan göras antigen genom att man applicerar vakuum eller spolar med kväve. Genom att utföra värmningen till nitrertemperatur i kvävegas kan utrymmet spolas rent från syre under värmningstiden, så att ammoniak kan tillsättas direkt när nitreringstemperaturen är nådd. I början ska ammoniakflödet vara högt för att bygga upp kväveaktiviteten så snabbt som möjligt.
Så snart föreningszonen har börjat bildas på stålytan, styr/begränsas nitreringshastigheten av diffusionen genom skiktet in i stålet. Ammoniakflödet kan då sänkas för att anpassa kvävetransporten från gas till stål, så att den stämmer överens med diffusionshastigheten av kväve in i stålet. Nitreringen fortsätter tills man har fått önskad nitrerdjup. Då stängs ammoniaken av. Kvävespolningen fortsätter till dess att ammoniaken försvunnit ur ugnsatmosfären. För att undvika missfärgningar p g a oxidation bör kylning göras i kväve. För gropugnar är det normalt att retorten lyfts ur ugnen och placeras i kylgrop. I ugnar utan retort äger kylningen rum i ugnen.
Vid nitrerprocesser är det viktigt med en god temperaturjämnhet i ugnen, eftersom temperaturen har en stor inverkan på föreningszonens tjocklek och diffusionszonens djup. Det är även av stor vikt att gassammansättningen är densamma i hela ugnsvolymen för att ge ett jämnt resultat på alla behandlade detaljer. Fläktar som ger påtvingad gascirkulation är därför nödvändiga (även om nitrerugnar utan gascirkulation förekommer). Gascirkulationen gynnar också värmeöverföringen, som huvudsakligen är styrd av konvektionen, eftersom temperaturen är relativt låg.
Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.12.7)
Nitrokarburering
Nitrokarburering påminner om nitrering, men förutom kväve tillförs även kol till stålets yta från ett kolavgivande medium. Temperaturen är något högre än vid nitrering, ca 550-580 °C. Användandet av nitrokarburering växte anmärkningsvärt , då saltbadsprocessen Tenifer (Tuffride) började utvecklas och då gasprocessen Nitemper utvecklades på 1960-talet. Processnamnen är varumärken från Durferrut GmbH resp Ipsen. Vid nitrokarburering bildas en föreningszon, ca 0-30 µm, bestående av ɛ-och/ellery’-fas. I området under föreningzonen bildas en diffusionzon, 0,05 – 0,8 mm. Liksom nitrering kan nitrokarburering utföras i gas, plasma eller saltbad. Nedan beskrivs nitrokarburering generellt samt med tonvikt på gasprocesser.
Jämfört med nitrering är nitrokarburering en korttidsprocess, med en processtid på mellan 30 minuter och fem timmer. Tiden måste styras efter den tjocklek och de egenskaper på förenings- och diffusionzon som krävs för att uppnå eftersträvad komponentegenskaper. Nitrokarburering i gas föregås ofta av förvärmning/-oxidering, antigen i en separat ugn eller i nitrokarbureringsugnen. Eftersom kol, och inte bara kväve, ska transporteras till stålytan, måste atmosfären, förutom ammoniak, även innehålla ett kolavgivande medium. Som kolkälla har tidigare använts, och används fortfarande, endogas eller exogas, som båda innehåller kolmonoxid, som är den aktiva kolöverförande gasen. Idag används även andra kolkällor, framförallt koldioxid, som reagerar med vätgas under bildning av kolmonoxid enligt:
CO₂ + H₂ –> CO + H₂O
Vätgasen kan dels fås genom sönderfallet av ammoniak, ekvationen ovan, dels som separat tillsats. Det är möjligt att använda ren kolmonoxid, men det alternativet hålls tillbaka av kostnadsskäl. Nitrokarbureringsprocessen sker i stort sett på samma sätt som nitrerprocessen. Efter rengöring, ilastning i ugn och värmning till processtemperaturen, 560 – 580 °C, följer en nitrokarbureringstid som ger önskad skikttjocklek och/eller diffusionsdjup. Liksom vid nitrering är det viktigt med god temperaturjämnhet i ugnen för att säkerställa föreningszonens tjocklek och diffusionszonens djup. Tidigare har man, av praktiska skäl, använt en konstant gassammansättning och ett konstant gasflöde under nitrokarbureringsprocessen. I och med att nya styrsystem utvecklas med utökade möjligheter att styra processen, går man mer och mer över till mer optimerade gasflöde och gassammansättningar.
Huvudsakligen kan samma ugnstyper som för gasnitrering användas. Vilken kylmedel som används vid nitrokarburering beror på vilka egenskaper man efterstävar hos komponenten. Kylningshastigheten har stor betydelse för hårdhet och restspänningar i diffusionszonen, framförallt för låglegerade material. När en hög utmattningshållfasthet eller hög lastkapacitet krävs, göra man därför en snabb kylning, normalt i en härdolja. Vanligaste är att att använda samma typ av universalugn med oljekar som vid sätthärdning. Om det istället är nötnings- och/eller korrosionsmotstånder som är syftet med nitrokarbureringen, är det föreningszonens egenskaper som är avgörande, vilket i stort sett är oberoende av kylningshastigheten. För att minimera formförändringen är det bättre att använda en låg kylningshastighet, vilket man får genom att kyla i gas. Gaskylning görs ofta i samma kammare som nitrokarbureringen. För att öka korrosionsmotståndet ytterligare görs vid behov en postoxidering efter nitrokarbureringsteget.
Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.12.8)
