Nitridering

Nitridering is 'n hittebehandelingsproses wat stikstof in die oppervlak van 'n metaal diffundeer om 'n dop-verharde oppervlak te skep. Hierdie prosesse word die meeste gebruik op lae-legeringsstaal. Hulle word ook op titaan, aluminium en molibdeen gebruik.

Tipiese toepassings sluit in ratte, krukasse, nokasse, nokvolgers, kleponderdele, ekstruderskroewe, gietwerktuie, smeematryse, ekstrusiematryse, vuurwapenkomponente, inspuiters en plastiekvormgereedskap.

Prosesse 
Die prosesse is vernoem na die medium wat gebruik word om te verhard. Die drie hoofmetodes wat gebruik word, is: gasnitridering, soutbadnitridering en plasmanitridering.

Gasnitridering 
In gasnitridering is die donor 'n stikstofryke gas, gewoonlik ammoniak (NH3), en daarom staan dit soms bekend as ammoniaknitridering. Wanneer ammoniak met die verhitte werkstuk in aanraking kom, dissosieer dit in stikstof en waterstof. Die stikstof diffundeer dan na die oppervlak van die materiaal en skep 'n nitriedlaag. Hierdie proses bestaan al byna 'n eeu, hoewel daar eers in die laaste paar dekades 'n gekonsentreerde poging was om die betrokke termodinamika en kinetika te ondersoek. Onlangse ontwikkelings het gelei tot 'n proses wat akkuraat beheer kan word. Die dikte en fasesamestelling van die resulterende nitrereerlae kan gekies word en die proses geoptimaliseer word vir die spesifieke eienskappe wat vereis word.

Die voordele van gasnitridering bo ander variante is:

 Presiese beheer van chemiese potensiaal van stikstof in die nitriderende atmosfeer deur gasvloeitempo van stikstof en suurstof te beheer.
 Omvattende nitrerende effek (kan in sommige gevalle 'n nadeel wees in vergelyking met plasma erillium-koper)
 Groot lotgroottes moontlik - die beperkende faktor is oondgrootte en gasvloei
 Met moderne rekenaarbeheer van die atmosfeer kan die Berillium-kopersresultate noukeurig beheer word
 Relatief lae toerustingkoste - veral in vergelyking met plasma

Die nadele van gasnitridering is:

 Reaksiekinetika word sterk beïnvloed deur oppervlaktoestand - 'n olierige oppervlak of een wat met snyvloeistowwe besmet is, sal swak resultate lewer
 Oppervlakaktivering word soms vereis om staal met 'n hoë chroominhoud te behandel - vergelyk verstuiwing tydens plasmanitridering
 Ammoniak asnitrideringsmedium - hoewel nie veral giftig nie, is dit skadelik wanneer dit teen 'n hoë konsentrasie ingeasem word. Ook moet versigtig gewees worf wanneer dit verhit word in die teenwoordigheid van suurstof om die risiko van ontploffing te verminder.

Soutbad-nitridering 
In soutbad-nitridering is die stikstofskenkende medium 'n stikstofbevattende sout soos 'n sianiedsout. Die soute wat gebruik word, skenk ook koolstof aan die werkstukoppervlak wat die soutbad 'n nitro-opkolingssproses maak. Die temperatuur wat gebruik word, is tipies van alle nitro-opkolingsprosesse: 550 tot 570 °C. Die voordele van soutnitridering is dat dit hoër diffusie in dieselfde tydperk bereik in vergelyking met enige ander metode.

Die voordele van soutnitridering is:

 Vinnige verwerkingstyd - gewoonlik van die orde van 4 uur of so om te bereik
 Eenvoudige bewerking - verhit die sout en werkstukke tot temperatuur en onderdompel totdat die tyd verstreke is.

Die nadele is:

 Die soute wat gebruik word is hoogs giftig - Die wegdoening van soute word beheer deur streng omgewingswette in Westerse lande en het die koste verbonde aan die gebruik van soutbaddens verhoog. Dit is een van die belangrikste redes waarom die proses die afgelope dekades in onguns geraak het.
 Slegs een proses is moontlik met 'n spesifieke souttipe aangesien die stikstofpotensiaal deur die sout bepaal word.

Plasma-nitridering 
Plasma-nitridering, ook bekend as ioon-nitridering, plasma-ioon-nitridering of gloei-ontladingsnitridering is 'n industriële oppervlakverhardingsbehandeling vir metale.

In plasmanitridering is die reaktiwiteit van die nitrideringsmedia nie te danke aan die temperatuur nie, maar aan die gasgeïoniseerde toestand. In hierdie tegniek word intense elektriese velde gebruik om geïoniseerde molekules van die gas rondom die oppervlak te genereer om te nitreer. Sulke hoogs aktiewe gasse met geïoniseerde molekules word plasma's genoem, wat dus die tegniek aandui. Die gas wat vir plasma-nitridering gebruik word, is gewoonlik suiwer stikstof, aangesien geen spontane ontbinding nodig is nie (soos in die geval van nitridering met ammoniak nie). Daar is warm plasma's wat getipeer word deur plasmastralers wat gebruik word vir metaalsny, sweiswerk, bekleding of bespuiting. Daar is ook koue plasmas, wat gewoonlik binne vakuumkamers gegenereer word, teen lae druk-regimes.

Gewoonlik word staal voordelig met plasmanitridering behandel. Hierdie proses laat die noukeurige beheer van die nitreerde mikrostruktuur toe, wat nitridering met of sonder saamgestelde laagvorming moontlik maak. Nie net word die werkverrigting van metaalonderdele verbeter nie, maar die lewensduur neem ook toe, en so ook die treksterkte en die vermoeidheidsterkte van die metale wat behandel word. Meganiese eienskappe van austenitiese vlekvrye staal, soos weerstand teen slytasie, kan byvoorbeeld aansienlik verhoog word en die oppervlakhardheid van gereedskapstaal kan verdubbel word.

'n Plasma-nitreerde onderdeel is gewoonlik gereed vir gebruik. Dit vereis geen masjinering, of polering of enige ander na-nitreerbewerkings nie. Die proses is dus gebruikersvriendelik, bespaar energie aangesien dit die vinnigste werk, en veroorsaak min of geen vervorming.

Hierdie proses is uitgevind deur Bernhardt Berghaus van Duitsland wat hom later in Zürich gevestig het om Nazi-vervolging vry te spring. Na sy dood in die laat 1960's is die proses deur die Klockner-groep verkry en wêreldwyd gewild gemaak.

Plasmanitridering gaan dikwels gepaard met die fisiese damp-deponeringproses (FDD) en word beskryf as Duplex Treatment, met verbeterde voordele. Baie gebruikers verkies om 'n plasma-oksidasiestap in die laaste fase van verwerking te laat kombineer om 'n gladde gitswart laag oksiede te produseer wat bestand is teen slytasie en korrosie.

Aangesien stikstofione deur ionisasie beskikbaar gestel word, anders as in gas- of soutbad-nitridering, hang plasmanitrideringsdoeltreffendheid nie van die temperatuur af nie. Plasmanitridering kan dus in 'n breë temperatuurbestek, vanaf 260°C, uitgevoer word,  tot by meer as 600 °C. Byvoorbeeld, by matige temperature (soos 420 °C) kan vlekvrye staal nitreer word sonder die vorming van chroomnitried-neerslae en dus hul korrosiebestande eienskappe behou. 

In die plasmanitrideringsprosesse is stikstofgas (N2) gewoonlik die stikstofdraende gas. Ander gasse soos waterstof of argon word ook gebruik. Inderdaad, argon en H2 kan voor die nitreerproses gebruik word tydens die verhitting van die dele om die oppervlakke wat nitreer moet word, skoon te maak. Hierdie skoonmaakprosedure verwyder effektief die oksiedlaag van oppervlakke en kan dun lae oplosmiddels wat kan oorbly, verwyder. Dit help ook die termiese stabiliteit van die plasma-aanleg, aangesien die hitte wat deur die plasma bygevoeg word, reeds tydens die opwarming teenwoordig is, en sodra die prosestemperatuur bereik word, begin die werklike nitridering met geringe verhittingsveranderinge. Vir die nitrideringsproses word H2-gas ook bygevoeg om die oppervlak vry te hou van oksiede. Hierdie effek kan waargeneem word deur die oppervlak van die deel onder nitridering te ontleed.

Materiale vir nitridering 
Voorbeelde van staal wat maklik nitreerbaar is, sluit in die SAE 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 en 9800-reekse, Britse vliegtuigkwaliteit staalgraderings BS 4S 106, BS 3S 132, 9041B, 9041B, 905M, 90413M, sekere gereedskapstale (H13 en P20 byvoorbeeld) en sekere gietysters. Ideaal gesproke moet staal vir nitridering in die verharde en getemperde toestand wees, wat vereis dat nitridering by 'n laer temperatuur as die laaste tempertemperatuur plaasvind. ’n Fyngedraaide of slyp-oppervlakafwerking is die beste. Minimale hoeveelhede materiaal moet na nitridering verwyder word om die oppervlakhardheid te behou.

Nitreerlegerings is legeringstaal met nitriedvormende elemente soos aluminium, chroom, molibdeen en titaan.

In 2015 is nitridering gebruik om 'n unieke dupleks- mikrostruktuur te genereer in 'n yster-mangaan-legering (martensiet-austeniet, austeniet-ferriet), wat bekend is dat dit geassosieer word met sterk verbeterde meganiese eienskappe.

Geskiedenis 
Sistematiese ondersoek na die effek van stikstof op die oppervlak-eienskappe van staal het in die 1920's begin. Ondersoek na gasnitridering het onafhanklik in Duitsland en Amerika begin. Die proses is in Duitsland met entoesiasme begroet en verskeie staalgraderings is ontwikkel met nitridering in gedagte: die sogenaamde nitrerende staal. Die ontvangs in Amerika was minder indrukwekkend. Met so min aanvraag was die proses grootliks vergete in die VSA. Na die Tweede Wêreldoorlog is die proses uit Europa heringestel. Baie navorsing het die afgelope dekades plaasgevind om die termodinamika en kinetika van die betrokke reaksies te verstaan.

Sien ook 
 Borering
 Opkoling
 Karbonitridering
 Ferritiese nitrokarburering
 Oppervlakafwerking

Verwysings

Verdere leeswerk

Eksterne skakels 
 
 An Introduction to Nitriding

Nitridering
Karbonotrering
Hittebehandeling
Stikstof
Plasmanitridering
Materiaalkunde