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.

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

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

Oppervlakte harden van roestvaststaal (RVS)

Proces beschrijvingen

Kolsteriseren®

Nog een methode voor het harden van austenitisch RVS is Kolsteriseren, die in 1985 als eerste hardingsproces voor deze materiaalgroep op de markt is gekomen, en Stainihard® als concurrerend proces, dat pas veel later ontwikkeld is. Kolsteriseren® is een techniek die de slijtageweerstand van austenitisch en duplex roestvast staalsoorten zeer goed weet te verbeteren en waarbij de corrosiebestendigheid van het staal in stand blijft.

Proces

Kolsteriseren® is een oppervlaktehardingsmethode met een lage temperatuur waarbij door de diffusie van koolstof de oppervlaktehardheid op kan lopen tot wel 1200 HV0,05 en dat zonder noemenswaardige maat, vorm en kleurverandering. Deze diffusielaag zit volledig in het oppervlak waardoor het product niet bros wordt en er geen laagopbouw plaatsvindt. Er worden geen materiaalvreemde elementen aan het roestvast staal toegevoegd, wat toepassingen in de voedingsmiddelen en medische industrie mogelijk maakt. Ook vindt er geen vorming van chroomcarbiden, nitriden of andere precipitaten plaats. Een ander bijkomend (kosten besparend) voordeel is dat producten niet meer nabewerkt hoeven te worden.

De koolstofatomen worden tijdens het Kolsteriseren® interstitieel opgelost in de austenitische matrix. Hierdoor ontstaan hoge drukspanningen in de gekolsteriseerde oppervlaktelaag, wat dus de gewenste hardheid veroorzaakt. Dit resulteert in een verbeterde slijt- en vreetbestendigheid (koudlasverschijnselen) en een positief effect op de vermoeiingssterkte. Ook de weerstand tegen het verschijnsel cavitatie-erosie, dat onder andere in pompen en afsluiters voorkomt, zal stukken beter zijn

Hardheidverloop

Het proces zorgt voor een uniforme en integrale warmtebehandeling van de oppervlakte, ongeacht welke vorm en complexiteit het product ook heeft. De warmtebehandeling is op alle oppervlakten gelijk, zowel op randen, hoeken, scherpe snijkanten, gaten, holtes en in kanalen.

Er zijn drie standaard behandelingen mogelijk:

• Kolsteriseren® 22
• Kolsteriseren® 33
• Kolsteriseren® duplex

Afhankelijk van het materiaalsoort en de kwaliteit, varieert de oppervlaktehardheid tussen 900 en 1200 HV0,05. De hardheid van de oppervlakte tot aan de onveranderde kern vermindert geleidelijk, zodat er geen sprake is van delaminatie.

Mechanische eigenschappen

De invloed van de mechanische eigenschappen speelt zich uitsluitend af in de oppervlaktelaag, omdat de onderliggende matrix door het proces niet wordt beïnvloed.

Een duidelijk verschil wordt zichtbaar als het proces bijvoorbeeld wordt uitgevoerd op een dunne folie, waarbij de gekolsteriseerde laag dan in een groot deel van de doorsnede aanwezig is. Zowel de elasticiteit, treksterkte en stijfheid zijn behoorlijk verbeterd. Als de onderdelen groter worden, is het effect van deze laag op die eigenschappen eigenlijk verwaarloosbaar.

Corrosiebestendigheid

De conventionele diffusieprocessen zoals carboneren of nitreren hebben als bijkomend verschijnsel de vorming van chroomcarbides of chroomnitrides. De corrosiebestendigheid kan niet meer gegarandeerd worden omdat het chroomgehalte op de korrelgrenzen hierdoor lokaal te laag wordt. Hierdoor kan inter-kristallijnen corrosie ontstaan.

Kolsteriseren® daarentegen is een lage temperatuur diffusie proces, en de vorming van chroomcarbides wordt daardoor vermeden en blijft de corrosiebestendigheid stabiel. Indien er molybdeen aan de legering wordt toegevoegd wordt de corrosiebestendigheid over het algemeen beter. In een chloriderijke omgeving zal Kolsteriseren® zorgen dat invreten en spanningscorrosie gereduceerd wordt. De aanwezigheid van delta-ferriet en deformatie martensiet in bijvoorbeeld een AISI 304 kan een verlaging van de corrosiebestendigheid van een behandeld onderdeel veroorzaken.

Toepassingen

Kolsteriseren® wordt op een breed scala van componenten toegepast in onder andere de automobiel, textiel, (petro)chemische, voedingsmiddelen, dranken, farmaceutische, nucleaire industrie en in de medische wereld (zowel gereedschappen als implantaten).
Kolsteriseren® is bij uitstek geschikt voor austenitisch roestvast stalen componenten die moeten voldoen aan strenge eisen ten aanzien van de maat- en vormstabiliteit, en die tegelijkertijd onderhevig zijn aan slijtage en/of corrosie.

Nadeel van deze austenitische materialen is dat zij een lage basishardheid bezitten, waardoor de weerstand tegen zware mechanische slijtage (bijvoorbeeld puntbelastingen) door het Kolsteriseren® niet of nauwelijks verbeteringen geven. Daarom is het beter in zulke gevallen om materialen te kiezen met een hogere basishardheid. Enkele voorbeelden hiervan zijn duplex roestvast staal (1.4462) of precipitatiehardend roestvast staal (AISI 660).

Enkele voorbeelden van gekolsteriseerde producten in de wereld van pompen zijn rotoren en pomphuizen van verdringerpompen, waaiers voor centrifugaalpompen, onderdelen voor lobbenpompen, plunjers en cilinders voor doseerpompen, onderdelen voor tandradpompen en slijtbussen voor pompas-afdichtingen.

Voorbeelden van componenten toegepast op het vlak van afsluiters, kleppen en kranen zijn kogels en zittingen voor kogelafsluiters, spindels, spindelgeleidingen, orificers, naalden voor naaldafsluiters, sproeiers en nozzles, tandheugels.

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.