Principles of nitriding, an industrial point of view

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José Carlos Molina Ruiz
hace 5 años
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1 Principles of nitriding, an industrial point of view Alberto Delgado Especialidades Térmicas, S.A. de C.V. Fundidores 18 Zona Industrial Xhala Cuautitlán Izcalli, México, C.P

Nitriding Nitriding is a surface-hardening heat treatment that introduces nitrogen

while it is in the ferritic condition Nitrurado Nitrurado es el endurecimiento

temperatura de (500 a 550 ºC, o de 930 a 1020 ºF), mientras esta sea en

2 Nitriding Nitriding is a surface-hardening heat treatment that introduces nitrogen into the surface of steel at temperature range (500 to 550 ºC, or 930 to 1020 ºF), while it is in the ferritic condition Nitrurado Nitrurado es el endurecimiento superficial que introduce Nitrogeno en la superficie del acero en rango de temperatura de (500 a 550 ºC, o de 930 a 1020 ºF), mientras esta sea en condiciones ferriticas Coating Difusión Nitriding is not a coating El nitrurado no es un recubrimiento

Nitriding Introducing nitrogen into the surface layer of a solid ferrous alloy by holding at a suitable temperature (below Ac1 for ferritic steels) in contact with a nitrogenous material, usually

3 Nitriding Introducing nitrogen into the surface layer of a solid ferrous alloy by holding at a suitable temperature (below Ac1 for ferritic steels) in contact with a nitrogenous material, usually ammonia or molten cyanide of appropriate composition, quenching is not required to produce a hard case. Nitrurado Difusión de nitrógeno en la capa superficial de una aleación ferrosa sólido manteniendo a una temperatura adecuada (por debajo de Ac1 para aceros ferríticos) en contacto con un material nitrogenado, normalmente amoniaco o cianuro fundido de composición apropiada, el temple (enfriamiento controlado) no es requerido para endurecer los materiales Oxide layer (Fe3O4) Difusion Layer Fase γ Compound layer or Withe layer Fase ɛ Transition layer

Hardness The purpose of the nitriding process is the formation of a superficial layer in the steel of a solid solution of nitrogen and nitrides, the last one is extremely hard and confer high

4 Hardness The purpose of the nitriding process is the formation of a superficial layer in the steel of a solid solution of nitrogen and nitrides, the last one is extremely hard and confer high hardness in the surface. The hardness of the nitriding surface is notably higher than the carburized or quenched surfaces. Nitriding is performed at relatively low temperatures (500 to 600 C). Dureza El proceso de nitruración es la formación de una capa superficial en el acero de una solución sólida de nitrógeno y nitruros (capa de compuestos o blanca), siendo estos extremadamente duros por lo que le confieren alta dureza a la capa superficial de la pieza. La dureza de la superficie nitrurada es notablemente mayor que la de las superficies cementadas y templadas. La nitruración se produce a temperaturas relativamente bajas (500 a 600 C)

others coatings Mejoran la resistencia al desgaste Mejoran la resistencia a la corrosión Mejora la propiedad de la fatiga.

5 Benefits nitrided Beneficios del Nitrurado Improves good wear resistance Improves corrosion resistance Improves fatigue properties Minimize distortion and deformation of the treated parts, it is a low temperature treatments process Nitriding could replace chromium and others coatings Mejoran la resistencia al desgaste Mejoran la resistencia a la corrosión Mejora la propiedad de la fatiga. Minimiza la distorsión y deformación de las piezas tratadas, debido a que es un proceso de baja temperatura Puede sustituir al cromado y otros recubrimientos

6 Nitriding can be performed in different environment La nitruración se puede realizar en diferentes medios Gas Liquid Gaseosa Líquida

Gas nitriding Most of the steels can be nitride using atomic nitrogen which is obtained from ammonia decomposition as follows: Nitruración gaseosa La mayoría de los aceros se pueden nitrurar mediante

7 Gas nitriding Most of the steels can be nitride using atomic nitrogen which is obtained from ammonia decomposition as follows: Nitruración gaseosa La mayoría de los aceros se pueden nitrurar mediante el uso de nitrógeno atómico el cual se obtiene de la descomposición de amoniaco en dos etapas Phase 1. Thermal dissociation of ammonia. ETAPA 1. Disociación Térmica del amoniaco Phase 2. Nitrogen absorption and subsequently diffusion of nitrogen on the steel surface ETAPA 2. Absorción del Nitrógeno y posteriormente difusión del nitrógeno en la superficie del acero

8 Dissociation of ammonia Disociación del amoniaco

9 Nitriding reactions Ammonia dissociation takes place as follows: Reacciones de nitruración La reacción de disociación de amoniaco (ruptura de una molécula en átomos más sencillos) se lleva a cabo de acuerdo a: 2NH 3 2N 2 + 3H 2 Eq. (1) N + xfe Fe x N (as Fe 3 N, Fe 4 N or Fe 2 N) Eq. (2) The nitrogen which not react with the steel forms molecular nitrogen without any further effect. El nitrógeno que no es absorbido por el acero pasa a nitrógeno molecular y pierde su poder nitrurante. 2N N 2 Eq. (3)

Nitriding potential The chemical potential of nitrogen, K N, thermodynamically defines the nitriding atmosphere to nitride Potencial de nitruración El potencial químico de nitrógeno, K

10 Nitriding potential The chemical potential of nitrogen, K N, thermodynamically defines the nitriding atmosphere to nitride Potencial de nitruración El potencial químico de nitrógeno, K N, define termodinámicamente la nitribilidad de la atmósfera nitrurante It must be reached thermodynamic equilibrium Se debe alcanzar el equilibrio termodinámico Gaseous N = N steel surface

Lehrer diagram It shows the relationship between the phases formed under local balance and nitriding potential as a function of temperature.

11 Lehrer diagram It shows the relationship between the phases formed under local balance and nitriding potential as a function of temperature. Kn = nitriding potential Diagrama de Lehrer Muestra la relación entre las fases formadas bajo equilibrio local y el potencial de nitruración como una función de la temperatura. Kn= potencial de nitruración

12 Liquid nitriding Nitriding process is performed by the action of parts immersed in a salt bath at temperature between 520 and 580 ºC. Parts processed by this technique must be machined to final dimensions before nitriding process. Nitruración líquida El proceso de nitruración se lleva a cabo mediante la acción de sumergir las piezas o herramientas en un baño de sales a una temperatura entre 520 y 580 ºC. Las piezas procesadas por este método deben ser maquinadas a su dimensión final antes del nitrurado.

Nitriding potential they are: CYANATES (CNO) CYANIDES (CN) CARBONATES (CO3) Eq.

13 Chemical reaction CNO 3 - N * + CO 3= + CN - Eq. (1) CO 3 = + CR9 CNO - In the salt bath three compounds are generated, they are controlled to have Nitriding potential they are: CYANATES (CNO) CYANIDES (CN) CARBONATES (CO3) Eq. (2) En el baño de sales se generan tres compuestos los cuales se controlan para poder tener potencial nitrurante que son: CIANATOS (CNO) CIANUROS (CN) CARBONATOS (CO3)

Higher T - Lower time TEMPERATURA EN C 600 595 590 585 580

14:06:42 14:08:35 14:10:30 14:12:20 14:14:13 14:16:09

14 Higher T - Lower time TEMPERATURA EN C :37:56 13:39:55 13:41:53 13:43:46 13:45:43 13:47:39 13:49:35 13:51:25 13:53:13 13:55:03 13:57:01 13:58:56 14:00:53 14:02:48 14:04:45 14:06:42 14:08:35 14:10:30 14:12:20 14:14:13 14:16:09 14:18:02 14:19:53 14:21:49 14:23:42 14:25:36 14:27:31 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11

15 General Process Proceso General FLOW Buffing

16 Treatment Temperature Higher porosity Higher corrosion protection Temperatura de Tratamiento Mayor porosidad Mejor protección a la corrosión

17 Treatment Temperature Wear resistance improving Minimizes the increase in roughness Temperatura de Tratamiento Mejor protección contra el desgaste Minimiza el aumento de la rugosidad

18 Treatment Temperature Reduces process time Protection of the white layer cracking under bending. Temperatura de Tratamiento Minimiza el tiempo de proceso Protección de agrietamiento de la capa blanca bajo una flexión 50 % Max of Porosity 15 % Max of Porosity 500x

19 Application Aplicación

20 Application Aplicación Piston rings

21 Application Aplicación Friction parts

22 THANKS FOR YOUR ATTENTION GRACIAS POR SU ATENCION

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