질화

Nitriding
현대식 컴퓨터화된 질화로

질화란 금속 표면에 질소를 확산시켜 케이스 경화 표면을 만드는 열처리 공정이다.이러한 프로세스는 저합금강에서 가장 일반적으로 사용됩니다.또한 티타늄, 알루미늄 및 몰리브덴에도 사용됩니다.

일반적인 용도에는 기어, 크랭크축, 캠축, 캠 팔로워, 밸브 부품, 압출 나사, 다이캐스팅 공구, 단조 다이, 압출 다이, 화기 구성 요소, 인젝터 및 플라스틱 성형 공구가 포함됩니다.[1]

과정

그 과정은 기부에 사용된 매체의 이름을 따서 명명되었다.사용되는 세 가지 주요 방법은 가스 질화, 염욕 질화 및 플라즈마 질화입니다.

가스 질화

가스 질화에서 공여자는 질소가 풍부한 가스, 보통 암모니아(NH)이며3, 이것이 암모니아 [2]질화라고도 합니다.암모니아가 가열된 작업물과 접촉하면 질소와 수소로 분해됩니다.그러면 질소는 물질 표면으로 확산되어 질화물 층을 형성합니다.이 과정은 거의 한 세기 동안 존재해 왔지만, 관련된 열역학 및 동역학을 조사하기 위한 집중적인 노력이 지난 수십 년 동안만 있었다.최근 개발로 인해 프로세스를 정확하게 제어할 수 있게 되었습니다.결과적으로 발생하는 질화층의 두께와 위상 구성을 선택할 수 있으며 필요한 특정 특성에 맞게 프로세스를 최적화할 수 있습니다.

다른 모델에 비해 가스 질화의 장점은 다음과 같습니다.

  • 질소와 산소의 가스 유량을 제어하여 질화 대기 중 질소의 화학적 전위를 정밀하게 제어한다.
  • 올 라운드 질화 효과(플라즈마 질화 효과와 비교하여 경우에 따라 단점이 될 수 있음)
  • 큰 배치 크기 가능 - 용해로 크기와 가스 흐름의 제한 요인
  • 현대적인 대기 제어 기능으로 질화 결과를 면밀하게 제어할 수 있습니다.
  • 비교적 낮은 기기 비용 - 특히 플라즈마 대비

가스 질화의 단점은 다음과 같습니다.

  • 표면 상태에 크게 영향을 받는 반응 속도 - 기름진 표면 또는 절단액에 오염된 표면은 결과가 좋지 않습니다.
  • 크롬 함량이 높은 강철을 처리하기 위해 표면 활성화가 필요할 수 있습니다. 플라즈마 질화 중 스패터링 비교
  • 질화 매질로서의 암모니아 - 특별히 독성은 없지만 고농도로 흡입할 경우 유해합니다.또한 산소가 있는 상태에서 가열할 때 폭발 위험을 줄이기 위해 주의해야 합니다.

염욕 질화

염욕 질화에서 질소 공여 매체는 시안화염 등의 질소 함유 소금이다.또한 사용되는 소금은 워크 표면에 탄소를 공급하여 염욕을 니트로 침탄 공정으로 만듭니다.사용되는 온도는 모든 니트로 침탄 공정에서 일반적으로 550 ~ 570 °C입니다.염질화의 장점은 다른 어떤 방법보다 같은 기간에 높은 확산률을 달성한다는 것이다.

염질화의 장점은 다음과 같습니다.

  • 빠른 처리 시간 - 보통 4시간 정도 소요됩니다.
  • 간단한 작동 - 소금과 공작물을 온도로 가열하고 지속 시간이 경과할 때까지 잠급니다.

단점은 다음과 같습니다.

  • 사용되는 소금은 독성이 매우 강합니다 - 소금의 처분은 서양의 엄격한 환경법에 의해 통제되고 있으며 소금탕 사용에 관련된 비용을 증가시켰습니다.이것이 최근 수십 년 동안 이 과정이 인기를 잃었던 가장 중요한 이유 중 하나이다.
  • 특정 소금 유형으로 가능한 공정은 한 가지뿐입니다. 질소 전위는 소금에 의해 설정되므로 한 가지 공정만 가능합니다.

플라즈마 질화

이온 질화, 플라즈마 이온 질화 또는 글로 방전 질화라고도 알려진 플라즈마 질화는 금속 재료의 산업 표면 경화 처리입니다.

플라즈마 질화에서 질화매체의 반응성은 온도에 의한 것이 아니라 가스 이온화 상태에 의한 것이다.이 기술에서는 질화시킬 표면 주위에 가스의 이온화된 분자를 생성하기 위해 강력한 전기장이 사용됩니다.이렇게 이온화된 분자를 가진 고활성 가스를 플라즈마라고 부르며, 이 기술을 명명했다.플라즈마 질화에 사용되는 가스는 자연 분해가 필요하지 않기 때문에(암모니아에 의한 질화 가스처럼) 보통 순수한 질소입니다.금속 절단, 용접, 클래드 또는 분무에 사용되는 플라즈마 제트로 대표되는 핫 플라즈마가 있습니다.또한 저압 상태에서 진공 챔버 내부에서 발생하는 냉간 플라스마도 있습니다.

일반적으로 강철은 플라즈마 질화 처리로 처리됩니다.이 프로세스를 통해 질화 미세구조를 면밀히 제어할 수 있으므로 복합층 형성이 있든 없든 질화 처리가 가능합니다.금속 부품의 성능이 향상될 뿐만 아니라 작업 수명도 증가하고 처리 중인 금속의 변형 한계와 피로 강도도 증가합니다.예를 들어 오스테나이트계 스테인리스강의 내마모성을 크게 향상시켜 공구강의 표면경도를 [3][4]2배로 할 수 있다.

질화 플라즈마 부품은 일반적으로 사용할 준비가 되어 있습니다.가공, 연마 또는 기타 니트라이딩 후 작업이 필요하지 않습니다.따라서 이 프로세스는 사용하기 쉽고, 가장 빠르게 동작하기 때문에 에너지 절약이 가능하며, 왜곡이 거의 발생하지 않습니다.

이 과정은 나중에 나치의 박해를 피해 취리히에 정착한 독일의 Bernhardt Berghaus에 의해 발명되었다.1960년대 후반 그가 사망한 후 이 과정은 클록너 그룹에 의해 인수되어 전 세계적으로 보급되었다.

플라즈마 질화 작용은 종종 물리증착(PVD) 프로세스와 결합되어 Duplex Treature(듀플렉스 처리)라는 라벨이 부착되어 있어 이점이 향상됩니다.많은 사용자는 마지막 공정 단계에서 플라즈마 산화 공정을 결합하여 마모 및 부식에 강한 매끄러운 산화물 제트블랙 층을 생성하는 것을 선호합니다.

질소 이온은 가스나 염탕과는 달리 이온화에 의해 이용되기 때문에 플라즈마 질화효율은 온도에 의존하지 않는다.따라서 플라즈마 질화 작업은 260°C에서 600°[4]C 이상의 광범위한 온도 범위에서 수행할 수 있습니다.예를 들어, 적당한 온도(420°C 등)에서 스테인리스강은 질화 크롬 침전물이 형성되지 않고 질화시킬 수 있으며 이에 따라 [5]내식성이 유지됩니다.

플라즈마 질화 공정에서 질소 가스(N2)는 보통 질소 운반 가스입니다.수소나 아르곤과 같은 다른 가스들도 사용된다.실제로 질화공정 전에 아르곤, H를2 사용하여 질화면을 청소할 수 있다.이 세척 절차는 표면에서 산화층을 효과적으로 제거하며 남아 있을 수 있는 미세한 용제 층을 제거할 수 있습니다.또한 플라즈마 플랜트의 열 안정성에도 도움이 됩니다. 플라즈마에 의해 추가된 열은 예열 중에 이미 존재하기 때문에 프로세스 온도에 도달하면 실제 질화는 약간의 가열 변화로 시작됩니다.질화공정에서는2 표면에 산화물이 없도록 H가스를 첨가한다.이 효과는 질화 중인 부품의 표면을 분석함으로써 관찰할 수 있습니다(예: 를 참조하십시오).

질화 재료

쉽게 질화할 수 있는 강철의 예로는 SAE 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 및 9800 시리즈, 영국 항공기 품질 강철 등급 BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39(EN41B), 스테인리스강, 일부 공구강(예: H13 및 P20) 및 주철 등이 있습니다.이상적으로는 질화용 강철은 경화 및 강화 상태여야 하며, 질화는 마지막 온도보다 낮은 온도에서 이루어져야 합니다.표면은 미세하게 다듬거나 그라운드 마감하는 것이 가장 좋습니다.질화 후에는 표면 경도를 유지하기 위해 최소량의 재료를 제거해야 합니다.

질화합금은 알루미늄, 크롬, 몰리브덴 및 티타늄과 같은 질화물 생성 원소를 가진 합금강입니다.

2015년에는 기계적 특성이 [7]강하게 강화된 것으로 알려진 철-망간 합금(마텐사이트-오스테나이트, 오스테나이트-페라이트)에서 독특한 이중 미세 구조를 생성하기 위해 질화(질화)가 사용되었습니다.

역사

강철의 표면 특성에 대한 질소의 영향에 대한 체계적인 연구는 1920년대에 시작되었다.가스 질화 연구는 독일과 미국에서 독립적으로 시작되었다.이 과정은 독일에서 뜨거운 반응을 보였고 질화강이라고 불리는 질화강을 염두에 두고 몇 가지 철강 등급이 개발되었습니다.미국에서의 리셉션은 그다지 인상적이지 않았다.수요가 너무 적어서 미국에서는 그 과정이 대부분 잊혀졌다.제2차 세계대전 후 이 과정은 유럽에서 재도입되었다.관련된 반응의 열역학과 동역학을 이해하기 위해 최근 수십 년 동안 많은 연구가 이루어졌습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Kunst, Helmut; Haase, Brigitte; Malloy, James C.; Wittel, Klaus; Nestler, Montia C. "Metals, Surface Treatment". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH.
  2. ^ 소결 PM 부품의 이온 질화 및 질화 탄화, 2004년 10월 7일
  3. ^ Menthe, E; Bulak, A; Olfe, J; Zimmermann, A; Rie, KT (2000). "Improvement of the mechanical properties of austenitic stainless steel after plasma nitriding". Surface and Coatings Technology. 133 (1): 259. doi:10.1016/S0257-8972(00)00930-0.
  4. ^ a b Zagonel, L; Figueroa, C; Droppajr, R; Alvarez, F (2006). "Influence of the process temperature on the steel microstructure and hardening in pulsed plasma nitriding". Surface and Coatings Technology. 201 (1–2): 452. doi:10.1016/j.surfcoat.2005.11.137.
  5. ^ Larisch, B; Brusky, U; Spies, HJ (1999). "Plasma nitriding of stainless steels at low temperatures". Surface and Coatings Technology. 116: 205. doi:10.1016/S0257-8972(99)00084-5.
  6. ^ Zagonel, L; Figueroa, C; Alvarez, F (2005). "In situ photoemission electron spectroscopy study of nitrogen ion implanted AISI-H13 steel". Surface and Coatings Technology. 200 (7): 2566. arXiv:1712.01483. doi:10.1016/j.surfcoat.2004.10.126.
  7. ^ Meka, S.R.; Chauhan, A.; Steiner, T.; Bischoff, E.; Ghosh, P.K.; Mittemeijer, E.J. (2015). "Generating duplex microstructures by nitriding; nitriding of iron based Fe–Mn alloy". Materials Science and Technology: 1743284715Y.000. doi:10.1179/1743284715Y.0000000098.

추가 정보

[1]

외부 링크


  1. ^ Pye, David. "The Heat Treatment Library". pye-d.com. Archived from the original on 2017-01-11. Retrieved 2017-01-10.