176004. lajstromszámú szabadalom • Eljárás vasötvözetek nitridálására gáztérben
3 176UU4 4 zélés során állandó nitrogénpotenciált tartanak fenn, melynek eredménye nagy felületi nitrogénkoncentráció. A felületi rétegben az e-fázis vastagsága és N tartalma az atmoszféra N-potenciáljától függ. Az ammóniában való nitridálás során a reakciók lefolyása vázlatosan a következő: 1. a gáz-fém határréteg kialakulása. 2. a fém felületén ezen határréteg disszociációja (NH3 ^ N + 3H) 3. a nascens nitrogén abszorpciója az acél felületén, 4. nitrogén dús fázis keletkezése a fémfelületen, 5. nitrogén diffúziója a felülettől a mag felé . A nitridálási folyamatot a reakciók alapján két alapvető fázisra lehet osztani: — fázishatár reakciók,- a nitrogén diffúziója. A fázishatár reakciók a nitridáló hőkezelés paramétereivel és a gázfázis összetételével szabályozhatók. A szokásos nitridálási paraméterek és munkadarab állapotok mellett a nitrogén diffúziója alig befolyásolható. A hőkezelés után kialakult rétegszerkezetet a fázishatár reakció és a diffúzió együttesen alakítja ki. Vasötvözetek eutektoidos (kb. 590 °C) hőmérsékletnél kisebb hőmérsékleten való nitridáláskor a munkadarabok felületi rétegében kívülről befelé haladva 11—7% N-tartalmú e-fázist, kb. 5,5% N-tartalmú y’ fázist, majd 0,1%-nál kevesebb N-t tartalmazó a fázist találunk. Az e fázis hexagonális rendszerben kristályosodó fémes vegyület, a y’ fázis ferde lapközepes rácsú fémes vegyület, míg az a fázis térközepes köbös rácsú szilárd oldat. Mivel az ismert nitridáló eljárások nagy felületi nitrogén koncentrációt hoznak létre, a felületen mindig keletkezik kisebb-nagyobb vastagságú túltelített nagy N tartalmú réteg. A túltelített nagy N tartalmú rideg e-fázis a felületen önálló tömör réteget képez, e réteg alatt bizonyos vastagságban pedig az a-fázissal jellegzetes, úgynevezett szitaszövetet alkot, mely a mechanikai tulajdonságokat jelentős mértékben rontja. A hagyományos gáznitridálás további hátránya, hogy a robbanásveszély elkerülése miatt a munkadarabokat csak akkor lehet a kemencéből kiszedni, illetve a kemencét új betéttel megtölteni, ha az kb. 100 °C-ra lehűlt. A kemence hőmérsékletének gyakori változtatása a nitridálás gazdaságosságát, s a kemence élettartamát egyaránt rontja. Nagy az ammónia fogyasztás, jelentősek a járulékos költségek is. A találmány célkitűzése olyan NH3-t tartalmazó gázközegben való nitridáló hőkezelés létrehozása, melynek során a gáztér nitrogén potenciálját az NH3 disszociáció fokának változásával szabályozzuk úgy, hogy a felületi rétegben a szükséges rétegvastagság és rétegszerkezet keletkezzen. A találmány folyamatosan szabályozott gázterű nitridálás, melynél a hőkezelés során a gáztér nitrogén leadó képességét a d 2 N (r) 1 1----------- = - A0 • AN*-k-— (1) d T 4 V T összefüggés szerint szabályozzuk, ahol 2N(r) a kéreg nitrogén tartalmának időbeni változása ? a nitridálás időtartama Aq a munkadarab felülete ANX a kéreg maximális nitrogéntartalma k a nitridálás hőmérsékletétől és az anyagtól függő állandó. Találmányunkat az alábbiakban ismertetjük: A N eloszlása a kéregben — a kéreg legnagyobb N tartalmának ismeretében - a diffúziós folyamatokra érvényes törvények szerint alakul, és a maximumtól a darab változatlan összetételű (N mentes) magjába megy át. A kéreg vastagságára Fick második alapegyenletének megfelelő egyszerűsítésekkel való megoldása x = a gyakorlat számára jól használható értéket ad, ahol x a kéreg vastagsága, k a nitridálás hőmérsékletétől, s az anyagminőségtől függő állandó, t a nitridálás időtartama. A0 felületű munkadarab x vastagságú kérgében — a számítás egyszerűsítése érdekében lineáris N koncentrációt feltéte, AN(r) lezve - az összes N tartalmat a 2N(r) = A0x-------2 , AN(t) összefüggéssel lehet kiszámítani, ahol -------- a ké-2 reg átlagos N tartalma adott t időpillanatban, N a kéreg legnagyobb N tartalma. A kéreg N tartalmának időbeli változását a két egyenlet segítségével fejezhetjük ki: 2N(r) = - A0 • ANr • k • y/r . (2) 2 Ha a kéreg legnagyobb N-tartalmát nem változtatjuk (ANt = ANX = áll.) csak a kéreg vastagságát akarjuk növelni, a kéreg összes N-tartalmát a nitridálás ideje alatt az alábbi összefüggés szerint kell változtatni: d 2 N (r) 1 1----------- = — A0 • A N* • k —=- • (3) d t 4 V r Az atmoszféra nitrogén koncentrációját (nitrogén potenciálját) is ilyen tövényszerűség szerint kell az idő függvényében változtatni. Az atmoszféra nitrogén koncentrációja (nitrogén potenciálja) az ammónia disszociációjának változtatásával szabályozható. Az ammónia disszociációját befolyásolja — a hőmérséklet — a fém-betét felület nagysága 5 10 1$ 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
