Nitriranje

Nitriranje spada u procese termohemijske obrade čelika. U ovom postupku, atomi azota (N) difunduju u površinski sloj čelika, pritom formirajući nitride sa gvožđem i legirajućim elementima ($FeN,AlN,CrN,MoN,Cr_{2}N,Fe_{4}N$). Na ovaj način se postiže povećanje površinske tvrdoće čelika, veća otpornost na habanje, a u nekim slučajevima i veća antikorozivna postojanost. Pored ovih očiglednih pogodnosti, nitrirani sloj čelika koristi kao osnova za nanošenje više vrsta tankih filmova na čelik. Difuzija azota se odvija na povišenim temperaturama u rasponu od 450 do 600 °C. Osim u jako retkim slučajevima, nitriranje je poslednji termički postupak obrade čelika i temperatura na kojoj se odvija proces je najčešće 30 do 50 °C niža od temperature prethodnog termičkog procesa. U velikom broju slučajeva nakon nitriranja nije potrebno vršiti nikakvu mehaničku obradu delova, mada to zavisi od vrste čelika, debljine difuzionog sloja ali i geometrije nitriranog komada.

Tipovi nitriranja se najčešće dele prema medijumu u kome se formiraju atomi azota (N):

Nitriranje u tečnoj sredini (TeNiFer)

U ovom postupku se čelični delovi potapaju u rastvor cijanidnih soli kalijuma i natrijuma i natrijum karbonata ($Na_{2}CO_{3}$). Osim difuzije azota, u ovom procesu dolazi i do difuzije ugljenika, što omogućava formiranje površinskog karbonitridnog sloja debljine 3~15μm. Ovaj sloj postiže jako veliku tvrdoću i otpornost na habanje. Ispod njega se formira standardni sloj nitrida debljine do 200μm. Ceo proces se odvija na temperaturi od 560 do 590 °C i traje između jedog i tri sata. Iako ovaj proces daje izvanredne rezultate, sve je manje u upotrebi zbog izuzetne toksičnosti cijanidnih soli i prevelike cene njihovog uklanjanja nakon upotrebe.

Nitriranje u gasnoj sredini

Kod ovog postupka, izvor atoma azota je amonijak ($NH_{3}$) na povišenoj temperaturi. Radni delovi se stavljaju u komoru na temperaturi između 500 i 600 °C, u koju se tokom celog procesa dodaje amonijak. Brzina difuzije azota zavisi od temperature na kojoj se nalazi čelični deo, kao i od sastava čelika od kog je napravljen. Konačna debljina difuzionog sloja zavisi od ovih parametara, kao i od vremena trajanja nitriranja, i može dostići i preko 600μm. Međutim površinska tvrdoća opada sa povećanjem temperature na kojoj se izvodi proces. Ceo proces može trajati i duže od 70 sati. Nakon ovakve obrade, delovi su čisti, a proces je jako podoban za obradu komada komplikovane geometrije.

Nitriranje u plasmi (jonsko)

Ovo je jedan od najsavremenijih principa nitriranja čelika. Na jako niskom pritisku u smeši azota ili amonijaka i nekog inertnog gasa, pod uticajem električnog polja, dolazi do formiranja atoma azota, koji slobodno difunduju u čelik. Za generisanje električnog polja (plasme) mogu se koristiti jednosmerni, unipolarni impulsni i bipolarni impulsni generatori. Ceo proces se odvija na temperaturama od 450 do 550 °C, mada ima podataka da je difuzija moguća i na temperaturama već od 350 °C. Dubina i tvrdoća nitriranog sloja takođe zavise od temperature i tipa čelika, ali je brzina difuzije veća nego kod gasnog nitriranja. Kod čelika sa visokim sadržajem ugljenika moguće je dobiti karbonitridni sloj kao kod TeNiFer postupka. Prednost ovakvog procesa je pre svega ekološka podobnost i mogućnost nitriranja specifičnih tipova čelika (brzorezni čelici, nerđajući čelici), kao i niža temperatura. Mana procesa je visoka cena. Postoji mogućnost dodavanja i drugih gasova u smešu i tada dobijamo procese jonskog karbonitriranja, oksinitriranja...

Merenje nitriranog sloja

S obzirom da su debljine nitriranog sloja na čeliku manje od 1mm, merenje tvrdoće se vrši metodom Vikersa sa opterećenjima manjim od 10Kg. U zavisnosti od čelika i primenjenog postupka nitriranja, tvrdoće se kreću od 200 do 1300HV10. Merenje debljine difuzionog sloja vrši se na uzorcima nitriranog čelika koji se presecaju normalno na nitriranu površinu. Najčešće se primenjuju dve metode merenja.

Merenje nagrizanjem

Uzorci se nagrizaju nitalom (rastvorom azotne kiseline $HNO_{3}$ i alkohola). Nakon toga se na mikroskopu jasno mogu videti razlike u boji nitriranog sloja i osnovnog čelika i izmeriti dimenzija sloja.

Merenje toka tvrdoće

Na uzorcima se meri mikrotvrdoća na različitim udaljenostima od površine čelika. Nakon toga se pravi dijagram i sa dijagrama određuje debljina nitriranog sloja. Za granicu se uzima mesto na kome je mikrotvrdoća za 50HV ili za 10% veća od osnovne mikrotvrdoće uzorka. Ova metoda ima prednost jer daje uvid u dubinski tok tvrdoće koji može biti značajan kod nekih alata.