mały mały|Piece retortowe do azotowania gazowego Azotowanie gazowe – najpowszechniejszy sposób azotowania stopów żelaza, czyli procesu obróbki cieplnej polegającego na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy wierzchniej przedmiotów metalowych azotem w celu zwiększenia twardości, trwałości oraz odporności materiału na ścieranie i korozję. Wyróżnia się kilka metod azotowania gazowego, w tym azotowanie w atmosferze jednoskładnikowej, atmosferach dwuskładnikowych (NH3+NH3zdys., NH3+N2) oraz azotowanie metodą ZeroFlow. Poza azotowaniem gazowym stosuje się także: azotowanie plazmowe, azotowanie próżniowe, azotowanie w proszkach, azotowanie w złożach fluidalnych, azotowanie jonowe.

Proces azotowania gazowego Proces ten realizowany jest zazwyczaj po wstępnym ulepszaniu cieplnym materiału – hartowaniu i odpuszczaniu. Temperatura tych dwóch procesów powinna być wyższa niż temperatura azotowania.

Samo azotowanie przeprowadza się w temperaturze mieszczącej się w zakresie ok. od 500 do 600 °C, w atmosferze gazowej zawierającej związki azotu, których źródłem jest amoniak.

Podstawą fizykochemiczną procesu azotowania gazowego jest termiczna dysocjacja cząsteczek amoniaku (NH3) zachodząca na powierzchni katalizującej, jaką stanowi obrabiany stop żelaza.

W wyniku rozpadu powstaje wodór (H2) i azot (N2 – azot molekularny), będący gazem obojętnym, rozcieńczającym czynne składniki atmosfery. Iloraz ciśnień cząstkowych tychże czynnych składników jest nazywany potencjałem azotowym atmosfery. Potencjał azotowy, czas trwania procesu i temperatura, w jakiej odbywa się azotowanie, a także gatunek azotowanej stali, wpływają na kinematykę wzrostu warstwy ochronnej azotowanej powierzchni, a co za tym idzie – także na jej ostateczną budowę fazową.

Azotowana powierzchnia w zależności od omówionych parametrów może składać się z jednej, dwóch lub trzech stref: α, γ’+α lub ε+γ’+α. Warstwy te oznaczają odpowiednio: α – ferryt azotowy, γ’ – azotek żelaza Fe4N, ε – azotek żelaza Fe2N.

W praktyce strefy ε+γ’ są najczęściej zeszlifowywane z powierzchni materiału, ze względu na nadmierną grubość i kruchość.

Technologie Azotowanie w atmosferze jednoskładnikowej Azotowanie w atmosferze jednoskładnikowej, czyli azotowanie 1-stopniowe, to najstarsza i najbardziej tradycyjna metoda azotowania gazowego. Atmosferę procesu tworzy wyłącznie amoniak (NH3) wprowadzany do przestrzeni roboczej w sposób ciągły.

Przy zastosowaniu tego typu procesu znacznie ograniczona jest możliwość kontroli wzrostu warstwy azotowanej, a powstająca warstwa ma zwykle strukturę ε+γ’+α. Ze względu na to, że uzyskanie takiej warstwy wymaga znacznie wyższego potencjału azotowego w retorcie pieca niż wytworzenie warstwy γ’+α, konieczne jest także użycie większej ilości amoniaku. Wpływa to niekorzystnie na aspekt ekonomiczny procesu azotowania, szczególnie uwzględniając fakt, że zwykle konieczny jest dodatkowy wydatek energetyczny na usunięcie strefy ε+γ’.

Proces azotowania 1-stopniowego przeprowadza się w prostej instalacji, łatwej do obsługi nawet przez personel nie posiadający specjalistycznych kwalifikacji oraz odznaczającej się niskim kosztem budowy.

Azotowanie w atmosferach dwuskładnikowych Azotowanie 2-stopniowe jest nowocześniejszą metodą azotowania gazowego. Metoda została opracowana w Stanach Zjednoczonych w latach 40. XX wieku przez Stąd metoda nazywana jest także procesem Floe. wraz ze współpracownikami. Floe zdecydował się wzbogacić atmosferę w retorcie pieca o amoniak zdysocjowany (NH3zdys.), co pozwoliło na lepszą kontrolę przebiegu procesu.

Możliwość decydowania o składzie mieszaniny dopływającej do komory pieca oraz natężeniu jej dopływu pozwala na wytworzenie warstwy o pożądanej budowie fazowej, eliminując konieczność późniejszego zeszlifowywania niepożądanych faz. Eliminacja tego procesu obróbki wymaga jednak uprzedniej dysocjacji amoniaku, co z kolei czyni koniecznym instalację dodatkowego pieca, pełniącego rolę dysocjatora. Niechęć niektórych użytkowników wzbudza także fakt, że dysocjator w trakcie pracy wytwarza wodór. Rozwiązanie to nie eliminuje także problemu dużego zużycia amoniaku w procesie.

Alternatywne rozwiązanie zostało zaproponowane przez naukowców z Rosji w latach 60. XX wieku. Zachowali oni dwuskładnikową strukturę atmosfery azotowania, jednak zamiast zdysocjowanego amoniaku użyli azotu molekularnego (N2). Proces ten został dostosowany do użytku w przemyśle przez naukowców z Instytutu Mechaniki Precyzyjnej w Warszawie i opatentowany 27 maja 1974Data zgłoszenia wniosku patentowego..

Azotowanie z użyciem atmosfery NH3+N2 pozwala zachować możliwość wytworzenia warstw o pożądanej budowie i brak konieczności szlifowania azotowanej powierzchni. Zapewnia także mniejsze zużycie amoniaku, które jednak kompensowane jest istotnym zużyciem azotu. Proces ten jest też , więc nie jest możliwe opisanie szybkości wzrosty warstwy ochronnej za pomocą klasycznych równań termodynamicznych. Z tego względu sterowanie takim procesem jest utrudnione, a jego przygotowania wymaga większej liczy prób niż przygotowanie procesów równowagowych (np. w atmosferze NH3 lub NH3+NH3zdys.).

Azotowanie metodą ZeroFlow ZeroFlow to metoda azotowania gazowego opracowana na początku XXI wieku przez z Politechniki Poznańskiej, a zaadaptowana na skalę przemysłową przez firmę Seco/Warwick. Metoda ta jest odmianą kontrolowanego azotowania gazowego w atmosferze jednoskładnikowej. Atmosferę procesu tworzy wyłącznie amoniak (NH3). Potencjał azotowy kontrolowany jest poprzez precyzyjne dawkowanie amoniaku w odpowiednich fazach procesu. W momentach, gdy mierzony potencjał azotowy jest wyższy niż wymagany, dopływ amoniaku zostaje całkowicie wstrzymywanyStąd nazwa „ZeroFlow” (ang. brak przepływu)..

Funkcjonalność ta wymaga odpowiedniej budowy pieca, lokalizacji czujników pomiarowych oraz doboru algorytmu sterowania. Konstrukcja pieca jest jednak prostsza niż w przypadku atmosfery NH3+NH3zdys. lub NH3+N2. Na bazie metody ZeroFlow możliwe jest również realizowanie technologii pochodnych, takich jak Nazywane także FNC, od angielskiej nazwy Ferritic Nitrocarburizing. lub azotonasiarczanie.

Ze względu na to, że proces sterowany jest rzeczywistym i minimalnym zapotrzebowaniem na azot do wytworzenia wymaganych struktur w materiale, charakteryzuje się wysoką energooszczędnością i wydajnością ekologiczną. Metoda ta umożliwia także dokładne formowanie warstw utwardzonych przy minimalnym zużyciu mediów procesowych.

Zastosowania Azotowanie gazowe stosuje się wszędzie tam, gdzie wymagane jest zwiększenie twardości powierzchni, odporności na zużycie (ścieranie, zacieranie) oraz poprawa wytrzymałości zmęczeniowej i odporności korozyjnej elementów stalowych, czyli między innymi w: motoryzacji – wały korbowe, sprężyny, pierścienie tłokowe, koła zębate, dysze wtryskiwaczy paliwowych; budowie maszyn – tuleje, sworznie, wałki, cylindry; narzędziach do obróbki metali – matryce, tłoczniki, formy, wkładki; energetyce – elementy turbin wiatrowych; lotnictwie – komponenty o wysokiej odporności na zużycie i korozję.

Ekologia i ekonomia Metoda tradycyjnego azotowania w atmosferze jednoskładnikowej, jako najprostsza i najstarsza ze stosowanych w przemyśle, charakteryzuje się kosztami ekonomicznymi i ekologicznymi na stosunkowo wysokim poziomie w porównaniu z nowszymi metodami. Zmniejszanie tych kosztów osiąga się między innymi poprzez: redukcję zużycia amoniaku/gazów procesowych – azotowanie w atmosferze NH3+N2 oraz ZeroFlow (nawet 10-krotne zmniejszenie zużycia w stosunku do atmosfery NH3); redukcję emisji gazów poprocesowych – analogicznie jak w poprzednim punkcie, mniejsze zapotrzebowanie na gazy w procesie skutkuje niższą emisją zanieczyszczeń; zwiększenie precyzji formowania warstwy azotowanej (brak zbędnego wydatku energetycznego na formowanie niepotrzebnych fragmentów warstwy i późniejsze ich zeszlifowywanie) – metody azotowania w atmosferze NH3+NH3zdys. i ZeroFlow.

Automatyzacja Metody azotowania gazowego umożliwiają automatyzację procesu azotowania, zarówno w przypadku stosowania tradycyjnych metod azotowania oraz metody ZeroFlow. Stanowi to przewagę azotowania gazowego np. nad azotowaniem próżniowym i jonowym, wymagającym stałego nadzoru operatora.

Uwagi

Przypisy

Kategoria:Stal Kategoria:Inżynieria powierzchni Kategoria:Azot