InfoNu.nl > Wetenschap > Techniek > Nitreren en nitrocarboneren

Nitreren en nitrocarboneren

Nitreren is het staal oppervlak slijtvast maken door stikstof-diffusie. Nitrocarboneren is het proces waarbij er naast stikstof tevens koolstof in het staaloppervlak diffundeert. Het zijn thermochemische processen bij relatief lage procestemperatuur, waardoor vervorming minimaal is en nabewerking meestal overbodig. De kern van een product blijft taai, terwijl het oppervlak hard en slijtvast wordt en bovendien de corrosievastheid wordt verbeterd. Het proces kan uitgebreid worden met naoxideren en eventueel de natuurlijke poreusiteit dichten met een olie waardoor de corrosievastheid verder toeneemt en het oppervlak een fraaie antracietkleurig uiterlijk krijgt.
Moderne computergestuurde ovens voor warmtebehandelingen o.a. voor het nitreren, carboneren en nitrocarboneren van metalen / Bron: S zillayali, Wikimedia Commons (CC BY-3.0)Moderne computergestuurde ovens voor warmtebehandelingen o.a. voor het nitreren, carboneren en nitrocarboneren van metalen / Bron: S zillayali, Wikimedia Commons (CC BY-3.0)

Procesindeling

We onderscheiden de volgende nitreer en nitrocarboneer processen:

Nitreren

  • Gasnitreren
  • Zoutbadnitreren
  • Plasmanitreren (Ionitreren)

Nitrocarboneren

  • Gasnitrocarboneren
  • Zoutbadnitrocarboneren
  • Plasmanitrocarboneren

De proces aanduiding

De fabrieksnamen voor nitreren zijn Tenifer®-QPQ; Tufftride® of Melonite®. De aanduiding “TUFFTRIDE®” wordt gehanteerd in Engels sprekende landen en in Azië, in Europa spreekt men van “TENIFER®” en in de VS van “MELONITE®”. Het zijn geregistreerde proces-namen van Durferrit GmbH. Bovendien voeren meerdere harderijen eigen procesnamen in om zich te onderscheiden, wat de suggestie wekt dat er meerdere oppervlaktebehandelingen zijn dan er in werkelijkheid zijn. We houden ons in dit artikel daarom aan de technische benaming van de processen. We maken niet steeds onderscheid tussen nitreren en nitrocarboneren maar gaan uit van nitrocarboneren, de procedure is praktisch dezelfde.

Nitreerbare en nitrocarboneerbare staalsoorten

Alle courante ongelegeerde laaggelegeerde en middelgelegeerde staalsoorten, gietijzer en sintermaterialen kunnen genitreerd worden. Staalsoorten die vaak genitreerd worden zijn o.a: 34CrAl6, 42CrMo4, 1.2311, C45, C15, st 52.3, enz. Er wordt een nitreerdiepte van circa 0,9 mm en een oppervlakte hardheid van circa 1200 Vickers bereikt. Hoewel laaggelegeerde chroomstalen uitstekende resultaten laten zien is staal met meer dan 10% Cr door de weerstand van de passieve chroomlaag minder geschikt omdat de nitreerdiepte minder is. Voor hoog gelegeerd (austenitische) staal is het Stainihard proces ontwikkeld. Hierbij kan roestvaststaal worden gehard door nitreren en nitrocarboneren zonder de corrosievastheid aan te tasten.

Het principe van nitreren en nitrocarboneren

In de doorsnede van de nitreerlaag.zijn 2 lagen te onderscheiden n.l. de verbindingslaag en de diffusielaag / Bron: Carsten Pietzsch, Wikimedia Commons (CC0)In de doorsnede van de nitreerlaag.zijn 2 lagen te onderscheiden n.l. de verbindingslaag en de diffusielaag / Bron: Carsten Pietzsch, Wikimedia Commons (CC0)
Nitreren en nitrocarboneren
De door het nitreren verkregen buitenste laag de z.g.n.verbindingslaag is max. 0,040mm dik. deze laag bestaat uit intermetallische verbindingen van ijzer en stikstof en bezit een hoge hardheid. Hieronder bevindt zich een diffusielaag welke tot max. 0,8 mm dik is en waarin stikstof met aanwezige legeringselementen als Cr, Mo, Al, V, Mn, Ti, en W, nitriden vormt. Deze nitriden bepalen de hoge hardheid en slijtvastheid van het genitreerde staal. Het materiaal wordt meestal geleverd in geharde & getemperde toestand (veredeld) waarin het nog goed verspaanbaar is. Het heeft een goede sterkte-taaiheid combinatie. Het staal wordt gekenmerkt door zijn geschiktheid voor nitreren, dat een harde slijtvaste laag van 61-65Rc geeft en een sterke taaie kern.

De werkzame laagdikte

Bij ferrietisch staal (alle nitreerstalen met uitzondering van de austenitische roestvaste stalen) zijn dus twee lagen te onderscheiden, namelijk de buitenste verbindingslaag in contact met het gas, bad of plasma en de door diffusie tot stand gekomen dieper naar binnen gelegen laag de z.g.n. diffusielaag. De verbindingslaag wordt poreus door de vorming van stikstof molekulen 2N→N2 . maar deze poreusheid kan gedicht worden door na oxideren. De laagdikte wordt vastgesteld door hardheidsmetingen in de doorsnede van een proefstuk, loodrecht op de buitenrand, de hardheid neemt naar binnen toe af; het punt met een hardheid 50 Vickers eenheden groter dan de hardheid van het moedermetaal neemt men per definitie als het begin van de nitreerlaag.

Procesvarianten

Het nitreer en nitrocarboneerproces kan in drie omgevingen uitgevoerd worden:
  • Gasatmosfeer
  • Zoutbad
  • Plasma, een geïoniseerd gas van stiktsof en koolstof

Gasnitrocarboneren

Bij het gasnitreren en gasnitrocarboneren bevinden de onderdelen zich in een gasdichte oven met een stikstof- en koolstofrijke (bijv. NH3 en CO2 ) omgeving, bij een temperatuur tussen 480 en 580⁰C. Stikstof en koolstof atomen diffunderen in het staal oppervlak. De behandeltijd kan variëren van 1 uur tot 4 etmalen en wordt bepaald door de staalsoort en de gewenste nitreerdiepte.

Zoutbad - nitrocarboneren

Het zoutbad-nitreren en zoutbad-nitrocarboneren is een alternatief voor inzetharden, hardverchromen en vernikkelen. Het metaal krijgt een fraai zwart glanzend redelijk corrosievast oppervlak. De onderdelen worden eerst aan de lucht op circa 350°C voorgewarmd om bewerkingsspanningen af te voeren. Het nitrocarboneren volgt in een stikstof en koolstof bevattend zoutbad bij 480-630°C.

Voordelen nitreren en nitrocarboneren t.o.v. het klassieke harden met afschrikken

  • Hoge slijtvastheid
  • Hoge weerstand tegen koudlasneiging of vreten
  • Zeer hoge corrosieweerstand
  • Verhoging van de vermoeiingssterkte
  • Hoge oppervlaktehardheid tot 1200 HV (70 HRc)
  • Geen vervorming en maatverandering
  • Verbetering wrijvingsweerstand en glij-eigenschappen
  • Temperatuurbestendig, lage oppervlakteruwheid
  • In principe toepasbaar voor alle staalsoorten

Plasma-nitrocarboneren

Tijdens plasma-nitreren en plasma-nitrocarboneren wordt een hoogspanning opgewekt tussen het metaal (de kathode) en het stikstof- en koolstof houdende gas. Het gas ioniseert en er ontstaat een plasma van stikstof- en koolstof ionen die in het staaloppervlak diffunderen. De buitenste verbindingslaag bestaat uit γ’-nitriden (Fe4 N), ε-nitriden (Fe2...3 N) en carbo-nitriden (FexCyNz). Bij gelegeerd staal vormen zich ook nitriden en carbonitriden van de legeringselementen, wat leidt tot een extra slijtvaste oppervlaktelaag.

Specifieke voordelen van plasmanitreren

  • Glad schoon oppervlak, geen zoutrestanten, nareiniging is overbodig
  • Taaiere oppervlakte laag
  • Goed te polijsten

Brede toepassingsgebied van nitreren en nitrocarboneren

De keuze van de moederlegering en details van de oppervlaktebehandeling worden bepaald door de eisen t.a.v. de belasting, bewerkbaarheid, slijtvastheid, vermoeiingssterkte en corrosievastheid van het onderdeel.
  • Automobielindustrie
  • Huishoudelijke apparaten
  • Offshore industrie
  • Vliegtuigbouw
  • Tandheugels, tandwielen, curveschijven, krukassen, leibanen
  • werktuigen die aan de buitenlucht zijn blootgesteld zoals landbouwmachines
  • Hydraulische onderdelen
  • Gereedschap- en machinebouw algemeen

Naoxideren

Door diffusie van koolstof en stikstof in het metaaloppervlak ontstaat in het oppervlak een diffusiezone van enkelen tiende millimeter en een (buitenste)verbindingslaag van maximaal 0,040 mm dik. Door de onderdelen na het nitrocarboneren te oxideren, wordt de poreuze buitenlaag afgedicht door ijzeroxide moleculen en ontstaat een compacte laag met een verhoogde corrosieweerstand. Door vooraf spanningsarm te gloeien wordt het risico op vervorming als gevolg van inwendige spanningen door bewerkingen beperkt. De beste resultaten worden bereikt bij gelegeerd staal. De maatverandering door het oxideren van de nitreerlaag is te verwaarlozen.

Specifieke voordelen van naoxideren:

  • Hogere corrosiebestendigheid
  • Verhoogde slijtageweerstand
  • Verbeterde glij- en loopeigenschappen

Stainihard®NC

Veel toegepaste soorten zijn Aisi 316(L) en Aisi 304. Maar ook andere austenitische roestvast staalvarianten worden vanwege hun corrosiebestendigheid veel toegepast in de auto- olie & gas-, chemische- medische- en voedingsmiddelenindustrie. Nadeel van austenitisch roestvast staal is de lage hardheid, geringe slijtbestendigheid en gevoeligheid voor vreten (koudlassen). Dit beperkt de toepassing in de machine bouw. Martensitisch RVS dat wel de hardheid heeft is minder corrosiebestendig. Bij het Stainihard®NC proces ondergaat het austenitisch rvs een voorbehandeling om het oppervlak toegankelijk te maken voor de diffusie van stikstof en koolstof in het staaloppervlak. De onderdelen worden in een stikstof en koolstof afgevende gas bestookt bij een temperatuur tussen de 350 ˚C en 500 ˚C.Bij Stainihard®NC wordt de vorming van chroomnitride (CrN) en chroomcarbide (CrC) onderdrukt. De harde laag aan het oppervlak ontstaat door oververzadiging van het kubisch vlakken gecenterd rooster (KVR) van het austenitisch roestvaststaal aan stikstof- en koolstof atomen. Waardoor het rooster onder hoge spanning staat wat hardheid inhoudt, zonder de corrosievastheid te verminderen. De diepte van de harde laag (S laag genoemd) is afhankelijk van het type RVS en de deformatie dat het staal heeft ondergaan. We gaan in de praktijk uit van 0,010-0,030 mm. De hardheid van de Stainihard NC laag is 1200-1400HV. Bij toenemende deformatie neemt de te bereiken laagdikte af omdat de diffusie doorheen het vervormde moederrooster moeilijker wordt. austenitische rvs stalen die worden behandeld zijn: AISI 301, 303, 304, 304L, 304Ti, 310, 316, 316L, 316Ti, 321, 347, 904L De behandeling is gebaseerd op het klassieke nitrocarboneren in gas. Het biedt de industrie een oplossing als slijt- en vreetbestendigheid samen moeten gaan met goede corrosievastheid. Het proces wordt o.a. toegepast in de voedselverwerkende industrie en zorgt er tevens voor dat voedingsmiddelen minder kleven aan machine onderdelen en gemakkelijk verwijderd worden.

Eigenschappen van Stainihard NC

  • Hoge oppervlaktehardheid en slijtvastheid
  • Grote weerstand tegen abrasieve slijtage, vreten en contactcorrosie
  • Corrosievastheid van roestvaststaal blijft gehandhaafd.
  • Lagere wrijvingscoëfficiënt
  • Hogere vermoeiingssterkte
  • Goede maat- en vormvastheid

Toepassingen

Roestvaststaal genitrocarboneerd volgens het Stainihard proces wordt toegepast in de machinebouw voor de voedselverwerkende industrie, in chemische-, medische-, semiconductor-, grafische- en automobielindustrie. Assen en draaidelen, aandrijfdelen, klep- en pomponderdelen, afsluiters, plunjers, geleidingen enz.
© 2013 - 2018 Custor, het auteursrecht (tenzij anders vermeld) van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Inspanningsfysiologie; gaswisseling in longen en weefselsDe lucht is een mengsel van grotendeels stikstof, zuurstof en koolstofdioxide. In het ademhalingsstelsel verandert de co…
St 52-3: Eigenschappen en toepassingenSt 52-3: Eigenschappen en toepassingenStaal St 52-3 is een veel gebruikt laaggelegeerd constructiestaal staal. De oorspronkelijke ongelegeerde stalen C35(St50…
Warmtebehandeling van staalEr is een duidelijk verschil in eigenschappen van gewalst staal in walsrichting en loodrecht erop. Een “bandstructuur” m…
KoolstofdateringKoolstofdateringKoolstofdatering is een methode waarmee de leeftijd van iets of iemand kan worden vastgesteld. Het wordt gebruikt om de…
De bainietstructuur in staalDe bainietstructuur in staalBainiet is een staalstructuur die lijkt op hoogontlaten martensiet. Het vormt zich uit austeniet door afschrikken vanuit…
Bronnen en referenties
  • http://www.durferrit.de/media/pdf/Tenifer_QPQ_eng.pdf
  • http://dominial.nl/behandelingen/nitreren/
  • http://www.tandwiel.info/kennisbank/thermische-behandelingen
  • http://www.menzingwb.nl/mysite/modules/
  • http://www.mamesta.nl & www.H-ST.nl
  • www.Stainihard.com
  • VENTEC STAALHARDERIJ NV B-8560 Moorsele Fax 056/404166 www.ventec.be
  • TU eindhoven; prof Ir JL Overbeeke lezing 25-4-90
  • Afbeelding bron 1: S zillayali, Wikimedia Commons (CC BY-3.0)
  • Afbeelding bron 2: Carsten Pietzsch, Wikimedia Commons (CC0)

Reageer op het artikel "Nitreren en nitrocarboneren"

Plaats een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Ik ga akkoord met de privacyverklaring en ben bekend met de inhoud hiervan
Reactie

Peter Vlaanderen, 26-01-2016 14:38 #1
Het ontstaan van de sponzige buitenkant van de verbindingslaag bij het nitrocarboneerproces is mij bekend, maar een snoerachtige verschijning, die in de doorsnede lopen naar de buitenkant van de verbindingslaag, daarvan is de oorzaak mij nog niet bekend.
Heeft u hier een antwoord op?
B.v.d.
M.vr.gr.
Peter Vlaanderen Reactie infoteur, 17-02-2016
Peter Vlaanderen,
De sponzige buitenkant is uiteraard bekend en heeft als voordeel dat er olie opgenomen kan worden dat de corrosieweerstand en glijvermogen bevordert. De snoerachtige verschijning ken ik niet als specifiek verschijnsel, maar zal van dezelfde aard zijn als de oppervlakte poreusheid (chemische reactie tussen ingesloten atomen).
M.Vr.Gr.
Custor
Excuses voor de late reactie ik ben aan het verhuizen

Infoteur: Custor
Laatste update: 24-12-2016
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Techniek
Bronnen en referenties: 10
Reacties: 1
Schrijf mee!