Anwendungsstatus und Entwicklungstrend des Seltenerd-Nitrierverfahrens

Seit Mitte der 1980er Jahre haben einige Zahnräder in der Produktion, die im Allgemeinen mit einem Aufkohlungs- und Abschreckprozess aus legiertem Stahl behandelt wurden, höhere Festigkeitsanforderungen sowie Anforderungen an hohe Geschwindigkeit, hohe Leistung und hohe Zuverlässigkeit. Die Form des Stahls nach der Aufkohlungs- und Abschreckbehandlung ist jedoch relativ groß, und nachfolgende Schritte, wie beispielsweise eine Zahnradschleifbehandlung, müssen hinzugefügt werden. Es ist nicht einfach, eine Zahnradschleifbehandlung für nicht-evolvente Zahnräder zu erreichen. Darüber hinaus hat die rasante Entwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie in den letzten Jahren auch den Einsatz von großen Präzisionsringen und dünnwandigen Teilen gefördert. Gegenwärtig verwendet die Oberflächenbehandlung dieser Stahlteile hauptsächlich den Aufkohlungs- und Abschreckprozess, der auch das Problem der Schwierigkeiten bei der Endbearbeitung und -formung und der großen Verformung nach dem Abschrecken aufweist. Verglichen mit dem aufgekohlten Werkstück weist das Werkstück nach dem Nitrieren eine geringere Verformung auf, wodurch die oben genannten Probleme besser gelöst werden können.

Als die beiden häufigsten oberflächenhärtenden Wärmebehandlungsverfahren haben Nitrieren und Aufkohlen ihre eigenen Vorteile. Die Verschleißfestigkeit der Nitrierschicht ist besser als die der aufgekohlten Schicht und die Härte ist höher, aber der Prozesszyklus ist länger als der der aufgekohlten Schicht. Die Nitrierschicht ist flacher als die aufgekohlte Schicht (0.3 bis 0.5 mm) und die Trag- und Stoßbelastbarkeit ist relativ schwach. . Experimentelle Studien haben gezeigt, dass eine Tiefennitrierung (> 0.55 mm) den Aufkohlungsprozess teilweise ersetzen kann und auch die Schlagzähigkeit und Tragfähigkeit der aufgekohlten Schicht effektiv verbessern kann.

Seit der Anwendung von Seltenen Erden in der chemischen Wärmebehandlung haben Wissenschaftler im In- und Ausland viele Studien zur Rolle von Seltenen Erden im Nitrierprozess durchgeführt und dabei bemerkenswerte Ergebnisse erzielt. Das heißt, die Zugabe von Seltenen Erden beim Nitrierprozess kann die Infiltrationsrate und die Härte der Infiltrationsschicht effektiv erhöhen. , Verdicken der Infiltrationsschicht und Verbessern der Struktur, wodurch die Doppelfunktion von Katalyse und Mikrolegierung übernommen wird. Die Entwicklung der Seltenerd-Nitriertechnologie hängt von ihren eigenen Eigenschaften ab, dh die einzigartige elektronische Schichtstruktur verleiht ihr eine starke chemische Aktivität.

Die Zugabe von Seltenerdelementen zum Nitrierprozess hat viele Vorteile: Erstens kann es das Nitrieren beschleunigen; zweitens kann es die Nitriertemperatur effektiv senken; drittens kann es die Lebensdauer von Geräten und Werkstückaufnahmen erheblich verlängern; viertens kann es die Biegeermüdung von Teilen, die Kontaktermüdungsfestigkeit und Verschleißfestigkeit usw. verbessern. Daher hat die Einführung von Seltenerdelementen in den chemischen Wärmebehandlungsprozess beim chinesischen Zahnradnitrieren den Prozess auf ein neues Niveau gebracht und stark verbessert der Produktqualität, wodurch eine frühzeitige Integration mit internationalen Standards erreicht und die internationale Wettbewerbsfähigkeit verbessert wird.

1. Anwendungsstand des konventionellen Nitrierverfahrens

Nitrieren ist eine weit verbreitete chemische Oberflächenbehandlungstechnologie. Der Zweck des Nitrierverfahrens besteht darin, eine höhere Oberflächenhärte zu erzielen, ohne grundsätzlich seine eigenen Eigenschaften und die Größe des Werkstücks zu ändern, und gleichzeitig kann es die Verschleißfestigkeit verbessern und die Ermüdungslebensdauer erhöhen. . Wie andere chemische Wärmebehandlungsverfahren umfasst der Nitrierprozess die Zersetzung des Nitriermediums, die Reaktion im Nitriermittel, die Diffusion, die Phasengrenzflächenreaktion, die Diffusion des infiltrierten Stickstoffelements in das Eisen und die Bildung von Nitriden. Gemäß dem Phasendiagramm der Fe-N-Legierung ist die Nitriertemperatur im Allgemeinen niedriger als 590 °C (die eutektoide Temperatur von Stickstoff), und die Nitrierschicht bildet von der Oberfläche nach innen eine ε-Phase und eine α-Phase. Da die Diffusionsgeschwindigkeit von Stickstoffatomen in der Epsilon-Phase am langsamsten ist, wirkt die Epsilon-Phase nach der Bildung der Nitrierschicht wie eine Barriere, um die Eindiffundierung von Stickstoffatomen zu verhindern. Daher nimmt die Wachstumsrate der Nitrierschicht unter normalen Umständen nach dem Nitrieren für eine gewisse Zeitdauer deutlich ab.
Nitrierverfahren mit Seltenen Erden

2.1 Der Mechanismus der Nitrierung von Seltenen Erden

Seltene Erden ist ein Sammelbegriff für 17 Elemente, darunter Lanthanoid-Elemente sowie Scandium (Sc) und Yttrium (Y). Diese Seltenerdelemente sind relativ aktiv und befinden sich zwischen Magnesium (Mg) und Aluminium (Al). Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wird es in vielen Bereichen verwendet. Aufgrund dieser Eigenschaften kann es auch als Wärmebehandlungsbeschleuniger und bei der chemischen Wärmebehandlung verwendet werden. Bei der chemischen Wärmebehandlung sind Lanthan (La) und Cer (Ce) häufig die Hauptelemente, da sie eine 4f-Elektronenschichtstruktur und eine starke chemische Elektronegativität aufweisen, wie z. B. Cer (Ce)-2.48, Lanthan (La)-2.52 , seine chemischen Eigenschaften sind relativ aktiv, was wiederum eine bessere chemische Synergie mit einer Vielzahl von Nichtmetallen ermöglicht. Wissenschaftler des Harbin Institute of Technology glauben, dass Seltenerdelemente mit besonderer elektronischer Struktur und chemischer Aktivität in die Oberfläche von Stahlteilen eindringen können. Der Grund für die vielen Vorteile liegt darin, dass der Atomradius, sobald das Element der Seltenen Erden in die Stahloberfläche eindringt, etwa 40% größer ist als der des Eisenatoms, was zu einer Verzerrung des umgebenden Eisenatomgitters führt, die in wiederum erhöht die Defektdichte, dh die Verzerrung erzeugt mehr neue. Die Kristalldefekte begünstigen die Adsorption und Diffusion von Stickstoffatomen, so dass die Zwischengitteratome in der Verzerrungszone angereichert werden. Nachdem das Seltenerdelement in die Oberfläche des Stahlteils eingedrungen ist, bildet es in kurzer Zeit eine hohe Stickstoffkonzentration auf der Oberfläche des Stahlteils, wodurch ein hohes Stickstoffpotential und ein Konzentrationsgradient gebildet werden, wodurch die Stickstoffatome nach innen diffundieren schnell, wodurch der chemische Wärmebehandlungsprozess offensichtlich wird. Beschleunigen und verfeinern Sie die Struktur der infiltrierten Schicht und verbessern Sie die Leistung der infiltrierten Schicht.

Der Autor ist der Ansicht, dass die erhebliche Zunahme der Nitrierungsrate von Seltenen Erden hauptsächlich auf folgende Gründe zurückzuführen ist:

• Die Infiltration von Seltenerdelementen bewirkt eine Vermehrung der Defektdichte, der Diffusionsfluss J steigt und der Transferkoeffizient von Stickstoffatomen steigt stark an.
• Die Infiltration von Seltenerdelementen induziert eine Oberflächen-Fe-Atomgitterverzerrung, die die Oberflächenenergie erhöht, wodurch die Adsorptionsenergie des Einfangens von interstitiellen N-Atomen erhöht wird.
• Die Anreicherung einer großen Anzahl von N-Atomen in der Verzerrungszone erhöht den Stickstoffkonzentrationsunterschied, erhöht die chemische Energie und beschleunigt die Diffusionsrate.

2.2.Die Eigenschaften des Nitrierens von Seltenen Erden

Die katalytische Wirkung von Seltenen Erden während des Nitrierens ist viel größer als die des Aufkohlens, was ein wichtiges Merkmal des Seltenerd-Nitrierens ist. Der Grund dafür ist, dass die Nitrierungstemperatur gewöhnlich in der α-Fe-Phasenzone liegt und der Infiltrationswiderstand von Seltenerdelementen in dieser Phasenzone viel kleiner ist als in der γ-Fe-Phasenzone; Darüber hinaus ist auch die Menge der Seltenerd-Infiltration der Hauptfaktor, der die Infiltrationswirkung beeinflusst. . Im Allgemeinen hat eine große Infiltrationsmenge eine bessere Infiltrationswirkung, und die Menge an Seltenerd-Infiltration während des Nitrierens ist höher als die während des Aufkohlens, so dass die Infiltrationswirkung während des Nitrierens besser ist.

Die Verteilung und Morphologie von Nitrid in der Nitrierschicht sind der Schlüssel zur Härte der Nitrierschicht. Wenn das Nitrid dispergiert und verteilt wird, ist die Härte höher, im Gegensatz dazu ist die Härte geringer. Beim herkömmlichen Nitrierverfahren wird im Allgemeinen das flockenförmige Nitrid erzeugt, und das Nitrid ist mit der Stammphase kohärent oder halbkohärent. Mit steigender Temperatur sammeln sich die Nitride weiter an und werden größer, lösen sich von der Stammphase auf und die Härte fällt stark ab.

Beim Nitrieren von Seltenerdmetallen bewirkt die Infiltration von Seltenerdmetallen, dass das Nitrid einen dispergierten und ungleichmäßigen Verteilungszustand aufweist, so dass die freie Energie stark ansteigt und eine Falle für interstitielle N-Atome wird. Gleichzeitig kann eine metastabile Cottrell-Luftmasse gebildet werden, die dort die Energie abbauen kann. Die Bildung von Nitriden erfordert Seltenerdelemente als Kern, und ihre Verteilung wird fein dispergiert. Gleichzeitig weist es auch eine diffuse quasi-sphärische Ausscheidung auf, wodurch die Bildung einer venenartigen Struktur und auch die Abscheidung von Nitrid entlang der Korngrenze vermieden wird. Außerdem ändert sich innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs die Morphologie des Nitrids nicht und seine Verteilung ändert sich nicht. Im Vergleich zur herkömmlichen Nitriertechnologie erhöht die Seltenerd-Nitriertechnologie die Härte der Nitridschicht und die Sprödigkeit kann auf 0~ Level 1 gehalten werden.

2.3. Anforderungen an den Seltenerd-Nitrierprozess

Das Seltenerdnitrieren hat die Eigenschaft einer höheren Härte der Nitrierschicht. Gemäß dieser Eigenschaft kann die Nitriertemperatur um 10 bis 20°C erhöht werden, wodurch die Erhöhung der Nitrierrate effektiver gefördert wird. Nach den Ergebnissen einer Vielzahl von Experimenten lässt sich feststellen, dass das Nitrieren von Seltenerdmetallen bei gleicher Temperatur die Infiltrationsrate nur um 15 bis 20 % erhöhen kann, aber nach einer Temperaturerhöhung um 20 °C die Infiltrationsrate kann stark gesteigert werden. Gleichzeitig muss, ähnlich wie bei der herkömmlichen Nitriertechnologie, beim Seltenerdnitrieren die Ammoniakzersetzungsrate des Nitrierens innerhalb eines vernünftigen Bereichs kontrolliert werden, d. h., in der Anfangsphase sollte ein höheres Stickstoffpotential (Np) verwendet und dann allmählich reduziert werden. Im Allgemeinen wird der Zwei-Ende-Nitrierprozess mit kontrollierter Atmosphäre mit variabler Temperatur und variablem Nitrierpotenzial verwendet, und die Ammoniakzersetzungsrate wird im Anfangsstadium reduziert und das Stickstoffpotenzial wird erhöht, um die Anforderungen einer beschleunigten Nitriergeschwindigkeit zu erfüllen, die stark ansteigt es.

2.4. Wirtschaftliche Vorteile und Energieeinsparung beim Nitrieren von Seltenen Erden

Bei Verwendung eines herkömmlichen Nitrierverfahrens, allgemeinem legiertem Baustahl, wenn die Schicht 0.3 mm erfordert, beträgt die Haltezeit im Allgemeinen mehr als 30 Stunden. Wenn die Infiltrationsschicht 0.6 mm erfordert, dauert die Wärmeerhaltungszeit mehr als 90 Stunden. Nachdem dem Katalysator Seltenerdnitrieren zugesetzt wurde und der normale legierte Baustahl eine Infiltrationsschicht von 0.3 mm erfordert, beträgt die Haltezeit nur 14 Stunden, wenn das zyklische Heizisolationsnitrieren unter den gleichen Temperaturbedingungen verwendet werden kann. Im Vergleich zur herkömmlichen Nitriertechnologie ist die Warmhaltezeit 16h kürzer und 53 % der Zeit eingespart. Dadurch können 40 % Strom eingespart, der Ammoniakverbrauch um etwa 35 % und die Abgasemissionen um etwa 35 % gesenkt werden. Wenn die Durchdringungsschicht 0.6 mm erfordert, kann die Wärmeerhaltungszeit um etwa 40% verkürzt werden.

China ist ein bedeutendes Maschinenbauland mit Tausenden von Unternehmen, die Gasnitrieren verwenden, hauptsächlich in den Bereichen Werkzeugmaschinenbau, Windkraftübertragung, Luft- und Raumfahrtausrüstung, Formenbau und anderen Industrien. Es wird geschätzt, dass 3000 Nitrieröfen vom Grubentyp (berechnet mit 75 kW) 100 Mal pro Jahr betrieben werden, und jedes Einschalten für 25 Stunden wird jährlich 5.625 × 108 kW•h Strom verbrauchen. Durch den Einsatz von Seltenerd-Permeationsmittel kann die Permeationsrate um 40 % gesteigert und Strom um 2.250 × 108 kW•h eingespart werden, was 90,000 Tonnen Standardkohle entspricht, und die CO2-Emissionen um 80,000 Tonnen reduzieren. Wenn daher die gesamte Industrie die Seltenerd-Infiltrationstechnologie im Nitrierprozess einsetzt, wird dies einen besseren "Energieeinsparungs- und Emissionsreduktionseffekt" haben.

3. Entwicklung der Seltenerd-Nitriertechnologie

3.1. Die Bedeutung des Nitrierens von Seltenen Erden

In den letzten Jahren steht die wirtschaftliche Entwicklung Chinas mit dem allgemeinen Anstieg der Weltenergiepreise vor großen Herausforderungen. Aus diesem Grund hat sie vorgeschlagen, ein innovatives und energiesparendes Land zu etablieren und das Ziel einer nachhaltigen Wirtschaftsentwicklung zu erreichen, und entsprechende Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs, der Energieeinsparung und der Emissionsreduzierung erlassen. Und damit verbundene Richtlinien zur effizienten Verlängerung der Lebensdauer. Nach dem vorläufigen Test des Seltenerd-Nitrierverfahrens kann bekannt sein, dass die durch Seltene Erden katalysierte Infiltration die Zeit des Gasnitrierens erheblich verkürzen kann und unterschiedliche katalysierte Wirkungen für verschiedene Stahlmaterialien zeigen kann, im Allgemeinen kann sie um etwa 30% bis 60 . verkürzt werden % und die Oberflächenhärte ist ebenfalls gering. Im Vergleich zum herkömmlichen Nitrieren kann es 50～150HV erhöhen. Vorläufige Berechnungen deuten darauf hin, dass der Einsatz dieser Technologie den Energieverbrauch erheblich senken wird, wodurch der Energieverbrauch um 30 bis 40 % gesenkt, die Nitrierabgasemissionen reduziert, die Arbeitszeit verkürzt und die Arbeitseffizienz verbessert werden soll. Gleichzeitig wird die Qualität der Stahlteile stark verbessert, die Verschleißfestigkeit wird stark erhöht, die Oberflächenverschleißfestigkeit wird stark erhöht, die Festigkeit und Härte werden innerhalb eines bestimmten Bereichs erhöht und der effiziente Einsatz und die lange Lebensdauer werden realisiert . Die Seltenerd-Nitriertechnologie wird die Entwicklung des chinesischen Nitrierverfahrens fördern.

3.2 Perspektiven des Nitrierens von Seltenen Erden

Der Nitrierprozess hat die Eigenschaften, die Oberflächenhärte der Teile zu verbessern, die Verschleißfestigkeit der Teile zu verbessern und die Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit zu verbessern. Es kann in der Formenherstellung und in der Energiemaschinenindustrie weit verbreitet sein. Das Nitrieren ist in der mechanischen Bearbeitung ein unersetzlicher Prozess, dennoch gibt es beim Nitrieren noch einige Probleme, die dringend gelöst werden müssen. Beispielsweise ist die Prozesszeit zu lang. Nehmen wir als Beispiel eine 0.5-mm-Schicht, dauert es bis zu 50 Stunden. Wenn die Hilfszeit einschließlich der Berechnung hinzugefügt wird, beträgt ihre Prozesszeit 3 ​​bis 4 Tage. Dadurch werden viele Arbeitsstunden, Stromverbrauch und Ammoniak verschwendet. Aus diesem Grund sollte der Fokus zukünftiger Forschungen zum Nitrierprozess auf folgenden Aspekten liegen: Einer ist die Verkürzung der Nitrierzeit; die andere besteht darin, die Infiltrationsschicht zu vertiefen; die dritte ist die Reduzierung des Energieverbrauchs; und die vierte besteht darin, sich in Richtung einer grünen Wirtschaft zu entwickeln.

Angesichts der reichlich vorhandenen Seltenerdressourcen in China und der vielen Vorteile des Seltenerdnitrierens sollten technologische Innovation und Förderung genutzt werden, um die Vorteile von Ressourcen und Technologie voll auszuschöpfen, um Vorteile für die industrielle Entwicklung und wirtschaftliche Vorteile zu erzielen.

Forscher der Materialwissenschaften und -technologie sollten die Innovation und Förderung des Nitrierverfahrens für Seltene Erden als Forschungsschwerpunkt nehmen und eine tiefere Diskussion über seine internen Gesetze und seinen Nitriermechanismus führen. Führen Sie kontinuierlich die Forschung und Entwicklung hocheffizienter Seltenerdkatalysatoren durch und bemühen Sie sich, den vollständigen Ersatz des herkömmlichen Nitrierverfahrens durch das Seltenerdnitrierungsverfahren zu realisieren, wodurch die Wirkung von Energieeinsparung, Emissionsreduzierung, Verbrauchsreduzierung und Effizienz maximiert wird Erhöhung und Verlängerung der Lebensdauer.

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