NITRIDÁLÓ ATMOSZFÉRA AKTIVITÁSÁNAK MÉRÉSE GÁZ DISSZOCIOMÉTER SEGÍTSÉGÉVEL

MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR

Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézet

NITRIDÁLÓ ATMOSZFÉRA AKTIVITÁSÁNAK MÉRÉSE GÁZ DISSZOCIOMÉTER SEGÍTSÉGÉVEL Szakdolgozat

Készítette:

Tóth Dániel BSc anyagmérnök hallgató

Konzulens: Dr. Veres Zsolt, egyetemi docens

2016

Nyilatkozatok Alulírott Tóth Dániel, a Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Karának hallgatója, büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot/diplomamunkát csak megengedett segítséggel, magam készítettem, és az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, amelyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva, más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával jelöltem. Miskolc, dátum

hallgató aláírása

Alulírott Dr. Veres Zsolt konzulens kijelentem, hogy a szakdolgozatot/diplomamunkát Tóth Dániel a Miskolci Egyetem, Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézetben készítette. Kijelentem, hogy a szakdolgozat védésre bocsátását engedélyezem. Miskolc, 2015.12.4.

konzulens aláírása

A szerző(k) neve(i)

2

Szakdolgozat feladat Tóth Dániel BSc anyagmérnök jelölt részére NITRIDÁLÓ ATMOSZFÉRA AKTIVITÁSÁNAK DISSZOCIOMÉTER SEGÍTSÉGÉVEL

MÉRÉSE

GÁZ

A SZAKDOLGOZAT FELADAT RÉSZLETEZÉSE A szakdolgozat kidolgozása során az alább felsorolt részfeladatok megoldására térjen ki. 1.) Szakirodalmi

források

alapján

adjon

áttekintést

az

acélok

nitridálásának,

karbonitridálásának elméletéről! 2.) Alakítsa át az intézetben található SLR-5 típusú nitridáló berendezést úgy, hogy alkalmas legyen üzem közbeni gáz minta vételére és gáz disszociométer segítségével ammónia tartalom mérésére! 3.) Végezzen kísérleteket, amelyek során különböző mennyiségű ammónia beadagolása esetén méri a kemencetér ammónia tartalmát gáz disszociométer segítségével! 4.) A mért eredményeket ellenőrizze kromatográfos mérések segítségével! Egyetemi konzulens:

Dr. Veres Zsolt egyetemi docens

Szakdolgozat beadásának határideje:

2016.05.06

Dr. Gácsi Zoltán intézetigazgató, egyetemi tanár


3

1

Tartalomjegyzék

2

Bevezetés .........................................................................................................................................6

3

Hőkezelési eljárások csoportosítása [ 1 ][2][3] ................................................................................7

4

Felületi hőkezelések [3] [5] ..............................................................................................................8 4.1

Felületi edzés............................................................................................................................8

4.2

Indukciós edzés [7] ...................................................................................................................9

4.3

Lézeres edzés [8] ....................................................................................................................11

4.4

Lángedzés ...............................................................................................................................13

4.5

Elektronsugaras edzés[1] .......................................................................................................14

5

Termikus Felületkezelések [9] ........................................................................................................16 5.1

6

Cementálás [3][10] .................................................................................................................17

Nitridálás [11] .................................................................................................................................18 6.1

Nitridálásnál kialakuló rétegszerkezet [1][12][13][14] ..........................................................19

6.2

Nitridálási eljárások 10][14][17].............................................................................................24

7

6.2.1

Sófürdős nitridálás[10][14][17] .....................................................................................24

6.2.2

Fluidágyas-nitridálás [10][12][14] ..................................................................................26

6.2.3

Plazmanitridálás [18][25] ...............................................................................................27

6.2.4

Gáznitridálás[10][12][13][14][19] ..................................................................................29

6.2.5

Karbonnitridálás .............................................................................................................31

Nitridáló berendezés bemutatása [19] ..........................................................................................33 7.1

A kemence átalakítása ...........................................................................................................34

7.2

Mérés kivitelezése..................................................................................................................35

8

Mérések eredményei .....................................................................................................................39 8.1

Első kísérlet ............................................................................................................................39

8.2

Második kísérlet .....................................................................................................................43

8.3

Kísérletek összehasonlítása ....................................................................................................45

9 10

Összefoglalás ..................................................................................................................................46 Irodalomjegyzék .........................................................................................................................47


4

Absztrakt A nitridálás egy olyan termokémiai eljárás, amely során a munkadarab felületi rétegét nitrogénnel dúsítjuk. Napjainkban az autóipar és más ipari ágazatok elengedhetetlen hőkezelési eljárása. Ahhoz, hogy a munkadarab felületén kialakuló rétegrendet és különböző rétegek vastagságát tervezni tudjuk, ismernünk kell többek között a nitridáláshoz/karbonitridáláshoz használt atmoszféra nitrogénaktivitását. Ezt megtehetjük több millió forint értékű hidrogén és gázszondák alkalmazásával, vagy az általam is használt Krupp féle disszociométer segítségével. Az ammónia a nitridálás hőmérsékletén vas vagy vas-nitridek jelenléte esetén hidrogénre és nitrogénre disszociál. A disszociáció fokát az egyensúlyi állapot és az azt befolyásoló tényezők határozzák meg. Az eljárás alapja az ammónia oldása vízben. Mivel az ammónia korlátlanul oldódik vízben, az alkotói pedig gyakorlatilag nem oldódnak benne, az oldódott gáz mennyiségéből, pontosabban nem oldódott gáz mennyiségéből, a nitrogén-aktivitás számolható. A vízoszlop magasságából megtudjuk az elnyelt ammónia térfogatát, melyből további számolás segítségével a valóságos disszociáció fokot kapjuk meg. A valóságos disszociációs fok ismeretében a kemencetérben lévő gázalkotók parciális nyomását számolhatjuk ki a reakciótér nyomását figyelembe véve. Ezt követően az ammónia és hidrogén parciális nyomását ismerve meghatározhatóvá válik a kemencetér nitridálási jellemzője, a nitridálási szám. A disszociációs fok mindig a kemencetér hőmérsékletétől, nyomásától, fémfelületétől, és az ammónia áramlási sebességétől függ.


5

2

BEVEZETÉS

A szakdolgozatom célja a gáznitridáló kemencék atmoszféra felépülésének a kutatása, amire Tömöri Tiborné 1956-ban a Kohászati Lapokban megjelent cikke adott inspirációt. Első részében a termokémiai hőkezelésekről lesz szó. Ezt követően a nitridálás területeit, lehetőségeit fogom bemutatni részletesebben. A dolgozatom utolsó harmadában pedig a kutatásom elméletét, folyamatát és a mérési eredmények ismertetését ismerhetik meg. A vizsgálataim középpontjában a Krupp-féle disszociométer áll, mert a méréseimet ezzel az eszközzel vittem végbe. Az eljárás felkeltette az érdeklődésemet, hogy helyettesíthető-e általa egy hidrogén- vagy gázszonda. A disszociométerrel mért értékekből több féle számolást is végig lehet vezetni. Például: -

nitrogén aktivitás

-

valóságos disszociáció fok

-

gázalkotók parciális nyomása

-

nitridálási szám


6

3

HŐKEZELÉSI ELJÁRÁSOK CSOPORTOSÍTÁSA [ 1 ][2][3]

A hőkezelés a fémek átalakulásának a legmeghatározóbb folyamata, míg kialakul a késztermék. Már maga a szóban megtaláljuk azt az utalást, miszerint a hőmérséklettel áll kapcsolatban. A további fizikai, mechanikai és kémiai hatásokkal tudjuk a megfelelő szövetszerkezetet létrehozni, ami a számunkra kívánt tulajdonsággal ruházza fel a munkadarabot. A szövetszerkezet felépítése lehet eltérő vagy közeli az egyensúlyi állapothoz. A hőkezelés megértését a metallográfia képzi, ami egyensúlyi és nem egyensúlyi változásokra vonatkozó elmélete. A hőkezelés során a hőmérséklet sohasem haladja meg az olvadási pontot, ebből következően csak szilárd anyagról beszélünk. A hőkezelés alapja: • allotróp átalakulások szabályzása • a szilárd állapotban végbemenő oldódás és kiválás befolyásolása • a diffúzió, a szilárd állapotban bekövetkező oldódás A hőkezelések csoportosítása A hőkezelő eljárások kiválasztása a darabnál előírt szövetszerkezetétől és a kívánt tulajdonság kialakításától függ. Különbséget teszünk: • a teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelés • és a felületi hőkezelések között. A teljes keresztmetszetre kiterjedő hőkezelések A kezelések lehetnek: • lágyító és egyneműsítő • keménységet fokozó • szívósságot fokozó


7

4

FELÜLETI HŐKEZELÉSEK [3] [5]

Az iparban egyre inkább előtérbe kerül, hogy a felhasznált alkatrészek belül szívósak, a felületükön pedig kopásállóak és kemények legyenek. Mindennapi életben is találkozhatunk erre megfelelő példával, például a gömbcsapok esetében a fent említett tulajdonságok elengedhetetlenek, de még jobb példa talán erre a fogaskerekek gyártása, mivel felhasználása minden iparág területén fellelhető. Szívós mag és kemény, kopásálló kéreg felületi edzéssel vagy termokémiai módszer alkalmazásával érhető el. Ezek alapján két részre bontható: • összetételt nem változtató felületi edzéseket • összetételt változtató kérgesítő eljárásokat Az 1. táblázat körvonalazza ezeket az eljárásokat különböző szempontok szerint. 1. táblázat A felületet módosító technológiák csoportosítása

4.1

Felületi edzés

A felületi edzés a termék felületének gyors felhevítésén alapszik, majd ezt követő azonnali hűtésből tevődik össze. A mag szívósságát nemesített állapot, szferoidites szövetszerkezet biztosítja, a kéreg kopásállóságát edzett, martenzites szerkezet adja. A felület és a mag között


8

hőmérséklet-különbségekből adódóan jelentős feszültségek keletkeznek, amelyeket 150-250 C közötti utólagos megeresztéssel (feszültségmentesítéssel) lehet leépíteni. Felületi edzés előtt a darabot általában nemesítik, majd kérgét lokálisan ausztenitesítik és edzik. A hevítésnek mindig gyorsnak (körülbelül 100C/s) kell lennie, különben a nemesített mag szövetszerkezet is átalakulhat.

A lokális hevítés többféle módszerrel

elvégezhető. Az eljárások a hevítéshez használt energiaforrás szerint csoportosíthatók. Így megkülönböztetünk

lángedzést,

indukciós

edzést,

elektronsugaras

edzést,

valamint

lézeredzést. Lángedzéssel érhető el a legnagyobb kéregvastagság (1,5 mm-től max. 12 mmig), viszont kevésbé lehet szabályozni a kialakuló réteg vastagságát. Indukciós edzés esetében az alkalmazott váltakozó áram frekvenciájának változtatásával szabályozható a kezelt réteg vastagsága (minél nagyobb a frekvencia, annál vékonyabb réteg hevül fel, a beedzett réteg néhány tized mm-től max. 10 mm-ig terjed). Az edzés sikerességét keménység méréssel lehet ellenőrizni, illetve a kéregvastagság mélységének meghatározása is így történik a mag felé haladva. Anyagminőségtől függően kell kiválasztani a megfelelő keménységmérést, de általában Rockwell C-vel végzik.

4.2

Indukciós edzés [7]

Az indukciós edzés az indukciós törvényre épülő eljárás, ami kimondja, hogy egy váltakozó áram által átfolyt minden vezető körül felépül egy mágneses váltakozó mező. A mágneses mezőknek drasztikus növekedése miatt felhevülnek a közelében lévő fémek, mert ezekben örvényáramok keletkeznek. Az indukciós edzésnél kihasználjuk a mágneses mezőnek azt a képességét, hogy közvetlen érintkezés nélkül energiát átad. Nagy problémát jelent az indukciós hevítésnél a megfelelően nagy mágneses mező felépítése és a munkadarab pozícionálása a mező középpontjába úgy, hogy a mezővonalak optimális átvitele megtörténjen. Ezért általában több tekercsből épül fel az elektromos vezető (1. ábra). A munkadarab bevitele után az összes mezővonal rákoncentrálódik. A mezővonalok úgymond kikényszerítenek egy áramvezetést a darabunkon, aminek az erősége megegyezik az induktoréval. Mivel 1000-10000 A-ig kiterjedhet az áramerősség, ezért rézből készítik az induktor csöveket, amit vízzel hűtenek.


9

1. ábra Indukciós edzés [7] A másik lehetőség a frekvencia növelése, de kizárólag generátorok segítségével tudjuk ezt létrehozni, mivel az áramszolgáltató 50 Hz-es frekvenciát nyújt. 10000 Hz alatt közepes, míg felette magas frekvenciának nevezzük. A frekvencia változtatása elengedhetetlen, ugyanis az áram a munkadarab felületén fut, de minél kisebb az értéke egyre mélyebben folyik. Ez által elkerülhető a szkinhatás. Az erős mágneses váltakozó mező felépítése úgy történik, hogy növelik a frekvenciát. A háztartási és ipari áramhálózatunkban 50 Hz-es frekvenciával dolgozunk, vagyis az áram másodpercenként 50-szer vált irányt. Az indukciós hevítésben az alkalmazástól függően 50től 1 000 000 Hz-ig terjedő frekvenciával folyik a munka. Az indukciós hevítés egy olyan folyamatos hőforrást nyújt, amely jól szabályozható, fűtőzónákra korlátozható és mindig reprodukálható hevítési folyamatok. Ez lehetőséget ad olyan hevítő készülékek építésére, amelyek magas automatizálási fokkal rendelkeznek, és könnyen a gyártási folyamatba integrálhatók.


10

2. ábra Indukciós edzés elvi vázlat [7]

Előnyök: 

lokális felmelegítés



rövid hevítési idő



elhanyagolható reve képződik



szemcsedurvulás minimális



kevés deformáció



egyszerű kezelés

Hátrányok:

4.3



drága



nagyobb munkadarab-mennyiség esetén könnyen amortizálódnak



eljárásoktól függően kell cserélni az induktorokat



nemesített acélok esetében lágyzóna alakulhat ki Lézeres edzés [8]

Az edzésnek ezt a módját kifejezetten lokális hőkezelésre használják. Leggyakrabban öntöttvasaknál alkalmazzák, de bármely más fémötvözetnél is használható, mivel a feszültség állapot és a mikroszerkezetet módosíthatjuk általa. A rövid idejű felhevítéssel a munkadarab felületén ausztenites szövetet hozzunk létre, majd a gyors hűtést követően martenzit jön létre. A lézersugárral történhet az edzés pont- vagy vonalszerűen, különböző vastagságban.


11

A lézeres sugárforrás vezérlésétől függően (3. ábra) különböző vastagságú, geometriájú edzett sávok hozhatók létre. A lézersugár lehet koncentrált, de lehetséges a „rezgő tükrös üzemmód” alkalmazása is, amelynek által szélesebb sávra terjed ki az edzés. Előfordulhat, hogy egyes sávok átlapolódnak, újra felhevülnek. Fémötvözettől függően hűtőközeg nélkül 2 mm mélyen edződik be a darabunk. Vasötvözetek karbon tartalmától függ mindig a kialakuló keménység és az ötvöző elemeke homogenitásától. Lézeres edzésnél a kiinduló szerkezetnek – inhomogenitások, durva karbidok, perlit finomsága – nagyon fontos, mivel homogenizálódásra, karbidoldódásra kevés idő marad. A létrehozott kéregvastagság tizedmillimétertől a milliméterig terjedhet, de ez függ az anyagminőségtől és az alkalmazott tecnológiától. . A legfontosabb technológiai paraméterek: 

lézerteljesítmény



hullámhossz



sugárnyaláb alakja



sugárnyaláb mérete (átmérő);



a besugárzott területen belüli intenzitás eloszlás jellege;



az abszorpciós tényező,



a pásztázási (előtolási) sebesség.

A

kezelt

munkadarabban

bekövetkező

mikroszerkezeti

változások

(átalakulási

folyamatok) anyag fizikai, elsődleges hőtechnikai paramétereitől függnek, ezek közül a legfontosabbak: - hővezető képesség; - sűrűség; - fajhő; - fázisátalakulások kezdő és befejezési hőmérséklete; - az átalakulásokat kísérő latens hő.

Valamennyi, szilárd állapotban végzett lézeres felületkezelés esetén alapvető problémaként jelentkezik a fémek korlátozott abszorpciós képessége. Minél nagyobb felület reflexiós képessége annál kisebb az energiahasznosítás mértéke. A reflexivitás mértéke egy 1-nél A szerző(k) neve(i)

12

kisebb pozitív szám, értéke elméletileg zérus lehet akkor, ha egyáltalán nincs visszaverődés, azaz tökéletes az abszorpció A reflexivitás függ az anyagminőségtől, a lézer típusától és a fény hullámhosszától.

3. ábra Lézeredzés működése [4]

4.4

Lángedzés

Kéregedzéskor a felületi réteg lökésszerű felhevítésére alkalmazzák az acetilén-oxigén vagy világítógáz-oxigén gázkeverék szúrólángját. A hőenergia sugárzás és vezetés útján jut az anyag felületi rétegébe, a hőközlés tehát lassabb, mint az indukciós edzésnél. A felületegységre jutó legnagyobb fűtőteljesítmény nagyjából 1/10 része annak, mint amennyi indukciós edzésnél elérhető. Ezért az elérhető minimális kéregvastagság 1,5 mm, tehát nagyobb, mint az indukciós edzésnél. Az ilyen szúrólánghevítéssel dolgozó kéregedzést lángedzésnek hívják. Az éghető gázt és oxigént olyan arányban keverik, hogy a keletkezett láng inkább enyhén oxidáló legyen. A hevítő láng előállítására nagy teljesítményű égőfejeket használnak, amelyeket a robbanásveszély elhárítására a biztonsági előírások gondos betartásával telepített éghető gáz- és oxigénpalack-telepekről látják el gázzal két-két nyomáscsökkentő szelepen át. A 4. ábrán látható a tematikai rajza.


13

4. ábra: Lángedzés bemutatása [24]

4.5

Elektronsugaras edzés [1]

Ahogyan az 5. ábra mutatja. a hevítés vákuumban zajlik, ezáltal felületi elváltozás nem történik. A sugár energiája szinte teljes egészében hasznosul. Az elektron sugár paramétereit számítógépes applikáció segítségével állíthatjuk a kívánt értékre. Az elterjedése az iparban azért számottevő, mert a fent említett módszerekkel nem tudnak kért értékeket teljesítni, illetve a magas kopásállóságon kívül itt nyomó feszültségek keletkeznek a darab felületén Az üzemeltetési költség nagyon alacsonyak és maga a berendezés is meglehetősen olcsó.


14

5. ábra: Elektronsugaras edzés vázlati rajza [1] 2. táblázat: Felület edzési eljárások összehasonlítása


15

5

TERMIKUS FELÜLETKEZELÉSEK [9]

A felület vegyi összetétel célszerű változtatásával valamennyi tulajdonsága javítható. Hőkezeléskor a munkadarabot körülvevő környezetben (gáz, szilárd, folyadék ) helyezkednek el az ötvöző elemek. A nagy koncentráció különbség következtében megindul az ötvözők diffúziója a darabba. A hőmérséklet növelésével a folyamatot felgyorsíthatjuk, de ez által tulajdonságaik veszíthetnek értékeikből. Ilyen eljárások lehetnek a cementálás, nitridálás, boridálás vagy alitálás. Cementálás még napjainkban is a leggyakrabban használt eljárás, de egyre jobban előtérbe kerülnek a nitridálások, míg a boridálást és az alitálást kevés alkatrésznél használják. Cementálás után gyakran megedzik a darabot, ezt már betétedzésnek hívják. Nitridálásnál atomos nitrogén kerül a kéregbe, amely az anyagminőségtől függően többféle nitrid-vegyület jön létre, amit a későbbiekben részletezek is. Boridáláskor az acél kérgébe bór diffundál. A hőmérsékletét meghatározza a közeg bomlási hőmérséklete és az acél szemcsedurvulása. A folyadék közeget, bóraxfürdőt alkalmazó boridáláskor gyakran elektrolízissel is gyorsítják a bór diffúzióját. A felhasználása, olyan termékeknél fordul elő, ahol magas kavitációnak van kitéve. Akár 2000 HV is elérhető, de a kéreg mélysége maximális 0,3 mm. Mindegyik esetben kemény kopásálló réteg jön létre, nitridálásnál 1000 HV keménység is elérhető.


16

Cementálás [3][10]

5.1

Ennél a hőkezelésnél elmondható, hogy a következő tulajdonságok javítása az elsődleges cél: 

kopásállóság



szívós mag



kemény kéreg



ismétel igénybevétel ellenállóság

Olyan termékek esetében használják, ahol az anyagminőség szempontjából alacsony a karbon-tartalom, ez 0,06-0,2 % között változhat. Cementálási technológiák: Hagyományos: 

szilárd közegben, szemcsés vagy pasztás (szénporban)



folyékony közegben, sófürdős vagy csepegtetős ( ma már cián mentesek a sófürdők)



gázatmoszférában, szabályozott és karbont leadó közegben

Legújabb technológiák: 

ionos



fluidos közeg



vákuumos cementálás

A kéreg tulajdonságait legjobban befolyásoló tényező a cementálás hőmérséklete.

A

termokémiai kezelés folyamatából adódik, hogy minél nagyobb a cementálás hőmérséklete, annál kedvezőbbek a karbonleadás, adszorbció és a diffúzió körülményei.

Az alsó- és

felsőhőmérsékleti határt a következők szablyák meg. Alacsony hőmérsékleten a kis karbontartalmú acélnál végzett cementálás azért kedvezőtlen, mert ilyen hőmérséklet nagyrészt ferritből és kevés ausztenitből áll a szövetszerkezet ( PSG mező). Ha a felületen bekövetkezik a karbon adszorbciója, akkor az ausztenit nagy szénoldó képessége a diffúziót nagy karbonkoncentrációkig megengedi, a túlnyomó részben ferrites szövetszerkezet karbonoldó képessége azonban alacsony, ezért a karbonnak a rácsba való beépülésekor hamar telített szilárd oldat jön létre. A felület és az alatta lévő rétegek közti koncentráció különbség miatt folytatódik a szénatomok befelé diffundálása, azonban a ferrit oldóképessége határának elérésekor cementit alakul ki, ami a diffúziót le fogja lassítani és a keletkező réteg vékony lesz.


17

Az ausztenit karbon oldása magas, ezért a cementálást olyan hőmérsékleten kell végrehajtani, amelyen a betétben edzhető alacsony karbontartalmú acélok is egészen ausztenites szövetszerkezetűek. Ez a hőmérsékletsáv az acél ausztenites szövetszerkezete szempontjából csak az alsó hőmérsékleti határ, és habár a magasabb hőmérséklet a diffúziót elősegítené és az acél karbon felvevő képessége is megnövekedne, a szemcsedurvulás és az esetleges deformációk elkerülése érdekében általában az alsó hőmérsékleti határon tartják a darabot. A cementálás első fázisa, hogy a karbon atomok a közegből rátapadnak az acél felületére, ezt követően pedig diffundálnak. A darab felületén a karbontartalom növekedik, ami potenciál különbséget okoz, és előidézi a karbon atomok mag felé történő diffúzióját. Ha kialakul a dinamikus egyensúly a gázközeg és a felület karbontartalma között, akkor az úgy nevezett Nernst-féle határréteg jön létre. Ez nem nagyobb 10 mm-nél, ahol lassabban mozognak az atomok. A cementált kéreg növekedését mindig az egyensúlyi viszonyok és a hőmérséklet határozza meg. A cementálással egyidejűleg megjelenek olyan elemek is, amelyek dekarbonizáló hatásúak.A folyamat maga arra törekszik, hogy egyensúlyba legyen a cementálás a dekorbanizációval.

6

NITRIDÁLÁS [11]

Rendszerint nitrid képzőkkel ötvözött nemesített acélok kérgesítésére alkalmazzák, mivel a szferoidos szövet miatt az eljárás lerövidül. A nitridálás hőmérséklete 520-590 oC-on történik, ezért a méretváltozás és a vetemedés csekély, a betétedzéshez képest. A felületbe diffundálva a nitrogén eltérő vegyületeket, nitrideket alkot. Ezeknek köszönhetően kemény kérget hozva létre a felületen. Az anyagminőségtől függően elérheti akár az 1200 HV keménységet is. Az alkalmas rétegvastagság elérését értelemszerűen a hőkezelés ideje határozza meg. Irányt adó azonban az acél kémiai összetétele is. Minél erősebb nitridképzőkkel és minél erősebben ötvözött acélról van szó, annál hamarabb kialakul egy összefüggőnek tekinthető ötvöző nitrid kéreg, melyen keresztül a nitrogén diffúziós előrehaladása limitált. Ezek a rétegek csak tized milliméter nagyságrendben mérhetőek.


18

6.1

Nitridálásnál kialakuló rétegszerkezet [1][12][13][14]

A vasötvözetek termokémiai kezelésekor kialakuló rétegszerkezetről a vonatkozó állapotábra szolgáltatja az alapvető információkat. A Fe-N fázisdiagramot a 6. ábra: Fe-N kétalkotós diagram [1]mutatja. Az ábra bal oldali része a Fe-C állapotábra hasonló részével mutat hasonlóságot, nagyobb nitrogéntartalomnál nitrid fázisok képződnek.

6. ábra: Fe-N kétalkotós diagram [1]

A két szilárdoldat fázis: − α-fázis, vagy nitroferrit: térben középpontos rácsban az interszticiósan oldott nitrogén atomok oktaéder helyeket töltik be; a teljes oldóképesség: 590 °C-on 0,1 % N, a szobahőmérséklet környezetében 0,001 % N, − γ-fázis, vagy nitroausztenit: felületen középpontos rácsban a nitrogén atomok szintén oktaéder helyzetbe ülnek be; a γ- fázis teljes nitrogén oldóképessége: 650 °C-on 2,80 % N.


19

A γ mezőből való lassú lehűléskor a γ eutektoidosan α szilárdoldatból és γ’ nitridből braunitté fog átalkulni. γ-fázisból nitromartenzit képződik azonali hűtés hatására. A nitridfázisok: − γ’-nitrid: sztöchiometriai képlete Fe4N; rácsszerkezete FKK; előfordulási tartománya 5,7 és 6,1 % N között van; 680 °C-ig stabil, − ε-nitrid: képlete Fe2-3N, rácsszerkezet hexagonális; nitrogéntartalma tág határok között mozoghat; 650 °C-on eutektoidosan átalakul, γ+γ’ fázisok keletkeznek, − ξ-nitrid: képlet Fe2N, orthorombikus rácsszerkezetű; 11,0-11,35 % N tartományban, kb. 500 °C alatt állandó; nitridáláskor nem keletkezik, ezért jelenléte elhanyagolható. Beágyazódott rész Vegyületizóna

Diffúziós zóna

Alapmátrix

7. ábra Metalográfiai csiszolat A nitridálást általában a γ-fázis eutektoidos átalakulási hőmérséklete, 590 °C alatt végzik. A 6.ábrát alapul véve színvas nitridálásakor a felülettől indulva a következőfázisokból álló kéreg alakul ki: ε-γ’-αN-α. Ez a réteg kialakulás szintén az állapotábrából követhetően a szobahőmérsékletre való hűlés alatt e szerint alakul: ε-ε+γ’-γ’-αN+γ’-α. A felületen tehát εnitrid jön létre, ami alatt ε+γ’ ill. γ’-nitrid réteg helyezkedik. Ezt a rétegrendszert vegyületi rétegnek nevezik. A metallográfiai csiszolaton (7. ábra) a szokásos nital használatokor nem maródik, ezért a felület mentén elhelyezkedő fehér sávként jelenik meg. Ezeken helyezkedik el a tűszerű γ’-nitrid kiválásokat tartalmazó nitroferrit. Az alapszövetig terjedő részt a diffúziós zónának újabban kiválási rétegnek nevezik.


20

Acél nitridálásakor számolni kell a karbon és az ötvözőelemek hatásával. A karbon hatása a folyamatra: 

a ferritben található oldott karbon redukálja a nitrogén oldóképességet,



a γ’-nitrid kis mértékben oldja a karbont, így megmarad a nitrid jellege,



az ε-nitrid oldja a karbont, így Fe2-3(N,C) képletű karbonitrid lesz; ez a fázis már nem rideg és magasabb kopásállósági mutatója, mint az ε-nitrid; a karbon növeli a koncentráció tartományát.

Az ötvözőelemek hatása a folyamatra: 

a ferritben található ötvözőelemek sok esetben növelik annak nitrogénoldó képességét,



a vasatomokat helyettesítve oldódnak a γ’ és ε fázisban, komplex nitrideket [pl. (Fe,Me)4N] ill. karbonitrideket [pl. (Fe,Me)2(N,C)] keletkeznek,



ötvöző nitridek és karbonitridek jönnek létre, ami a kialakuló kéreg tulajdonságait jelentősen befolyásolja. Az ötvöző elemek megfelelő kiválasztásával, a nitridálás hőmérsékletével és idejével alakítható ki a megfelelő minőség.

Az α-vasban kezdődik meg a nitrogén oldódása. A koncentráció különbség hatására a nitrogén diffundálni fog a mag felé. Ha az α-vas eléri a maximális nitrogén koncentrációt, akkor γ’csirák fognak keletkezni összefüggő rétegben. Ha γ’ is eléri az oldhatósági határt, akkor ε-nitrid fázisok alakulnak ki. A diagramból továbbá kivehető, hogy a fázishatár mentén a koncentráció hirtelen nagymértékben változik.[1]


21

8. ábra: Nitridált réteg kialakulásának a folyamata [1] Alacsony hőmérsékleten a létrejött ötvöző nitridjei koharensen kötődnek az α-fázishoz. A hőmérséklet emelkedésével a nitridek mérete megnő, illetve a koherencia felbomlik. A lehűtés sebességétől is függ a kiválási réteg tulajdonsága, mint például a túltelített szilárd oldatból létrejött kiválások. Az abarzív kopásnál nem csak a kopásállóság javulását kell figyelembe venni, hanem azt hogy porozitás mentes vegyületi réteget kell létrehozni. A vegyületi réteg kialakulásával hozható kapcsolatba a kopásállóság növekedése a nitridálás eredményeként. Abrazív kopásnál a kopásállóság javulása szempontjából a felület keménysége a meghatározó. Ilyen szempontból tehát a kemény, porozitásmentes vegyületi réteg az előnyös. A nitridálás javítja az adhéziós kopásállóságot is. Ha egy nitridált és nem kezelt felület mozdul el egymáson, akár nagy terhelés és kenés hiánya mellett is, a felületek a nitridréteg jelenléte miatt nem hegednek össze. Itt nem a keménység, hanem a kristályszerkezet a meghatározó, ami miatt az összehegedés nem tud létrejönni. A kompakt, pórusmentes vegyületi réteg javítja a korrózióállóságot. A kifáradási határ is növekszik, de ez a kiválási réteg tulajdonságától függ. Továbbá javul a formatartósság és az élettartam is növekszik. A korrózióval való ellenállás is a legtöbb esetben javul. Ezeket teszi láthatóvá a 3. táblázat, ahol különböző acélokra jellemző tulajdonság változás látható nitridálás hatására.


22

3. táblázat Acélok tulajdonság változása nitridálás hatására


23

6.2

Nitridálási eljárások 10][14][17]

9. ábra Nitridálási eljárások csoportosítása [18]

6.2.1 Sófürdős nitridálás[10][14][17] A sófürdőben való nitridálás minden esetben folyékony közegben történik. A sófürdős nitridálás végülis egy karbonnitridálásként fogható fel, mivel karbon is diffundál a felülelbe. A sófürdő régebben több ártalmas anyagot tartalmazott, például kénvegyületeket és cianidsókat is. Manapság az ilyen fajta hőkezelések kénmentesek. A közeg nitrogénben gazdag alkáli földfémek és különböző cianid sók keverékét tartalmazzák olvadék állapotban. A sók megolvasztása miatt segéd elektródák lógnak a titán bélésű tégelybe. A titán bélés megakadályozza a só olvadék vastartalmának az emelkedését, ami nagyon fontos a porozitás elkerülése érdekében. A só egyenletesen melegíti fel a darabokat, ezért gyakran alkalmazzák egyedi daraboknál, illetve oxigén mentes közeg miatt reve nem alakul ki a felületén. Fontos figyelni arra, hogy vizesen ne kerüljön bele a darab, mert disszociál és a hidrogén durranása miatt szétfröcskölheti az olvadékot A szerző(k) neve(i)

24

Ez a fajta eljárás alkalmas kopásálló nitridált réteg kialakítására. A darabokat alacsony hőmérsékleten körülbelül 500-580 °C fok között hőkezelik. Fontos előny, hogy egyenletes a kéregvastagsága, és csaknem az összes acélfajta kezelhető benne. A 10. ábrán láthatjuk a vázlati rajzot, míg a 11. ábrán azt, hogy a gyakorlatban miként történik a folyamat.

10. ábra Sófürdőben való nitridálás vázlatirajza

11. ábra sófürdőben nitridálás [15]


25

6.2.2 Fluidágyas-nitridálás [10][12][14] A fluidágyas kemencében való nitridálás hasonlít a gázban történőre, a hőátadása pedig a sóban történőére. A fluidágyas kemencében a legtöbb hőkezelés elvégezhető. Ammónia gáz és nitrogént gáz keveréke alakotja a kemenceterét, de folyadék közegként viselkedik az Al2O3 részecskék lebegtetése miatt. Ezt a megfelelő hőmérsékleten áramoltatják az ágyon. Az alumínium-oxid adja át a darabnak a hőmérsékletet. Megfelelő hőmérsékleten az ammónia disszociál aktív vagy más néven atomos nitrogénre. Az eljárás időtartamát a nitrogén diffúziója szabja meg Folyamatosan használhatjuk, mivel a hőkezelés végeztével a kemence tér visszahűl a kezdeti hőmérsékletre, illetve átöblíteni se fontos a rendszert. Ennek következménye, hogy gazdaságos az üzemeltetése. A másik fontos dolog hogy más típusú hőkezelést is lehet közvetlen utána csinálni, például cementálás.

12. ábra: Fluidfürdős kemence rajza Előny: 

alacsony befektetési költség



egyszerű a kezelése



környezetbarát

Hátrány: 

drága a darabok előkészítése a hőkezeléshez


26



sok energiát és időt használ el a darabok és a közeg felmelegítésére



egyszer használható a közvetítő közeg

6.2.3 Plazmanitridálás [18][25]

A plazmanitridálást 350-600 °C között végzik vákuumkemencében 200-500 Pa nyomáson, melyben a falazat anódként, míg a benne lévő darabok katódként funkcionálnak, egymástól villamosan elszigetelve. Glimm-kisülés eredményeként jut a felületre a nitrogén. Az eljárás ionizált gáz atmoszférában zajlik, amely lehet ammónia és nitrogén, metán vagy hidrogén keveréke. A bevezetett gázkeverék a nagyfeszültségű elektromos energia hatására ionizálódik, így plazma jön létre. A katódként kapcsolt darabokat a plazma által felgyorsított pozitív töltésű ionok bombázzák, majd az ionok mozgási energiája átalakul hővé a darab felületén ez által a nitridálás hőmérséklet létrejön. A folyamatot jól mutatja a 14. ábra. A nitrogén diffundál az acél felületébe létrehozva a nitridált . A plazmanitridálás mindegyik eljárás közül a legpontosabb, illetve legjobban kezelhető. Itt lehetőség van monofázis kialakításra a vegyületi zónában. A 15. ábrán a kemencében lévő darabok láthatóak a plazmanitridálás során. Előnyök: -

nagy kopásálló réteg létrehozása és vastagságának szabályzása

-

kicsi vetemedés és elhúzódás

-

korrózióálló rétegek is létrehozhatók

-

munka- és környezetvédelmi követelmények teljesülése

-

automatizálható

-

szinte az összes acél-, öntöttvasfélék és a korrózióálló munkadarabok nitridálhatók


27

13. ábra Plazma nitridálás elve

14. ábra: Plazmanitridálás működés közben


28

6.2.4 Gáznitridálás[10][12][13][14][19]

A gáznitridálás során alkalmazott nitrogént biztosító közeg az ammónia. A 20. század elején is alkalmazták már, de csak ammóniát jutattak a kemencetérbe. Ez így gazdaságtalan volt, mivel a bebocsátott ammónia jelentős része bomlás nélkül távozott. (az ammónia bomlásakor a molekuláris gáz térfogata a duplájára nőt). Az atomos nitrogén kis hányada tud abszorbeálódni a felületbe, mivel a többi molekula akadályozza ebben (H2,N2). Ennek folyamatát figyelhetjük meg a 15. ábrán. A hatékonyság javítása érdekében, inert gázként N2 adagolnak be együttesen az ammóniával, így csökkent a kéreg ridegsége és porozitása a vegyületi réteg koncentrációjának csökkenése miatt. Hiába bomlik magasabb hőmérsékleten az ammónia, mint a hőkezelés, mégis bekövetkezik a disszociáció a Fe és Fe2N katalizátorok jelenléte miatt. 2NH3 = 3H2 + 2N (aktív) (1)

15. ábra A gáznitridálás folyamata [20] Diffúzió révén α – szilárd oldatba nitrogén kerül, amivel vegyületet fognak képezni. Ezt white layer-nek hívják szakberkekben. A tovább haladó nitrogén atomok az ötvözőkkel nitrideket alkot, ezek az ötvözők Al, Ti, Cr, V, Mo (nitridképzők) elemek.


29

A nitridálás függ: 1. a telítés hőmérséklete [°C] 2. a telítés ideje [h] 3. az ammónia disszociáció foka [%] (a gáztér aktivitásának mértéke)

1. A telítési hőmérséklete 500-600 °C közé tehető, ami az anyagtulajdonságából adódóan változhat, illetve, hogy mi a hőkezelés célja. Előzetes hőkezelésként nemesítést alkalmaznak, mivel szferoidotba könnyebben diffundál a nitrogén

2. A diffúzió egy anyagtranszport folyamat, amelynél az atomok a nagykoncentrációjú helyekről a kisebb koncentrációjú helyekre mozognak az idő függvényében. A nitridált réteg kialakulása a nitrogént atomok diffundálása által jön létre, ami mindig egy időszükséglettel jár. A folyamatos hajtóerő fenntartását a állandó atomos nitrogén jelenlétével tudjuk biztosítani, mivel így a nagy koncentráció különbség fennáll. A nitridált kéreg időbeli változását a következő egyenlettel lehet leírni (2).. S = k *√𝒕 (2) 

t – a hőntartási idő [min]



k – állandó



S – a nitridált réteg vastagsága [mm]

A (2) egyenletből láthatjuk, hogy az idő előrehaladtával folyamatosan növekszik a réteg vastagsága. A diffúziós zónában a nitrogén diffúzióját a nitridképző ötvözők csökkentik, mivel ezek ott fognak kialakulni, ahol az oldott nitrogén koncentrációja a legnagyobb. A γ’ – α fázishatár közelében jön létre a legtöbb nitrid, mert itt a legnagyobb az oldott nitrogén koncentráció, tehát az itt kialakuló nitridek már itt lassítják a diffúziót. Annál lassabban növekszik a rétegvastagság, minél több magasabb az ötvöző tartalom a diffúziós zónában. A telítési idő növelése miatt a keménység is folyamatosan fog nőni, de egy idő után porozitások fognak megjelenni, ami ridegebbé teszi az anyagot.


30

3. Korábban már kifejtettem, hogy a nitridálási hőmérsékleten (500-600 oC) az ammónia nem bomlik, és ez a Fe F2N katalizátorok miatt valósul meg, valamint a Fe2N miatt folyamatosan nő a bomlás mértéke. Disszociációs foknak nevezzük az ammónia molekulák bomlásának a mértékékét. Ahhoz, hogy folyamatosan biztosítani tudjuk az atomos nitrogén keletkezését folyamatosan adagolnunk kell a gáztérbe az ammóniát, hiszen ha ezt nem tennénk, meg akkor kialakulna a dinamikus egyensúly a bomlástermékek és a disszociált ammónia között, ebből az következik, hogy mindig nagyobb a még nem bomlott ammónia hányada a kemencetérben.

(3) Az aktív nitrogén arányát (3) egyenletből számíthatjuk ki, amit az ammónia parciális nyomása és a hidrogén parciális nyomásának a hányadosa fejez ki. Ezek az értékek folyamatosan változnak. 6.2.5 Karbonnitridálás Ez a hőkezelési eljárás azért került előtérbe manapság, mert ezzel a nitridálás technológiai idejét lecsökkentették. Ez az eljárás gazdaságilag hatékony, és ugyanúgy a darab tulajdonságait javítani lehet vele. Ha szén-dioxidot adagolunk a gáztérbe az ammónia és a nitrogén mellé, ekkor beszélünk karbonitridálásról. A folyamat az által gyorsul fel, hogy a szén-dioxid megköti a hidrogént, így több aktív nitrogén marad. A karbonitridálást 500 – 580 °C közötti hőmérsékleti tartományban végezzük, ahol is a kemencetérbe ammónián és a nitrogénen kívül szén-dioxidot jutattunk. A karbonnitridálás során nem csak nitrogén, hanem karbon is diffundál a betét felületébe. Ezek kedvező hatást gyakorolnak a kialakuló szövetszerkezetre, mivel segíti ε és γ’ vas karbonitridek

kialakulását,

amik

további

kopásállóság

növekedéshez

vezetnek

és

ellenállóbbak a korrózióval szemben is. A kiválások növelni fogják a diffúziós zóna keménységét és a munkadarab kifáradási határát. A 4. egyenlet bemutatja, hogy a kemencetérbe adagolt szén-dioxid víz formájában megköti a hidrogént. Ez növeli a nitrogénpotenciál értékét. A melléktermékként megjelenő szén-


31

monoxid további hidrogén megkötését fogja eredményezni, ami tovább javítja a nitrogén leadását (5. egyenlet). CO2 + H2 CO CO + H2 C aktív

H2O (4) H2O (5)

A folyamatból adódóan egyre több nitrogén képes beépülni a felületbe, gyorsítva a kéreg kialakulását. A karbonitridáláskor képződött ε és γ’ fázisoknak koncentrációja kisebb a vegyületi rétegben, így több nitrogén tud beépülni a diffúziós zónába. A szén-dioxid mennyisége a beadagolt ammónia 10 %-át nem lépheti át, mivel efölött csökkenti az atmoszféra aktivitását a nitridálás során. Az ammónia bomlására katalizátorként hatnak a Fe2O3 és Fe3O4 vegyületek, ezért akár 400 0C-is végbe megy a folyamat.


32

7

NITRIDÁLÓ BERENDEZÉS BEMUTATÁSA [19]

A SLR-5 típusú kemence az iparban is használt berendezéstípus több olyan kiegészítő berendezéssel, amelyek a munkámat megkönnyítették. A kemence tér felmelegítése villamos ellenállásfűtéssel történik Ehhez

szükséges

gázokat

rotaméterek

és

mágnes

szelepek

segítségével

tudjuk

megfelelőütemben és mennyiségben a kemencefedelén keresztül a retortába jutattni. A rotaméterek kézzel állíthatók, a mágnes szelepeket előre programozott módon tudjuk a nyitni, illetve zárni. A gázok a kemence fala és egy terelőlemez között jutnak a retortába, keringésüket a fedőn elhelyezett, szívó ventilátor biztosítja. A gázok a kemence falán felmelegedve kerülnek érintkezésbe a betéttel. A hőmérséklet szabályozását az előre beprogramozható digitális kijelzőn végezhetjük, a fedélben elhelyezett termoelem adatai alapján, amelyeket a mágnes szelepeket vezérlik. A gázok adagolása és a kemence hőmérsékletének szabályozása automatikus, de az áramlási sebességét mi határozzuk meg. A kemence 10 mbar túlnyomással üzemel. Gáztáblán keresztül érkeznek a retortába a gázok, a fölösleg egy fáklyán keresztül távozik a légtérbe. A fáklya elégeti a keletkező H2 és CO gázt és a kemencéből távozó ammóniát.

16. ábra: SLR-5


33

17. ábra: A nitridáló kemence elvi vázlata [1]

7.1

A kemence átalakítása

Ahhoz, hogy a kemence atmoszférájából tudjunk mintát venni, át kellett alakítani úgy a kemencét, hogy a működését ne gátoljuk. Az 18. ábrán azt láthatjuk, hogy egy 1 cm-es átmérőjű fém csövet hajlítottunk meg és két csapot is elhelyeztünk rajta. A hajlatoknál a belső rádiusz 5. Az 1-es csapot zárhatjuk és nyithatjuk, míg a kettes csappal akár az áramló gáz sebességét is tudjuk szabályozni. Az első részt azért fémből készítettük, hogy a kiáramló forró gáz hőmérséklete csökkenjen, utána egy gumicsövet raktam rá bilinccsel, hogy a Krupp-féle disszociométerrel össze tudjam kötni. Minden csatlakozásnál vákuum zsírt használtam, megelőzve az esetleges szivárgást.


34

18. ábra: 7.2

Mérés kivitelezése

Az 19. ábrán láthatjuk a Krupp-féle disszociométert, melynek segítségével a méréseket végeztem. A kísérlet kivitelezésénél első lépésben „átmosom” a készüléket a pontos mérés érdekében. Ez annyit tesz, hogy a felső csapot nyitott állásban van, és alsó is, így áramlik kifelé a gáz. Ezt követően a felső résznél elzárom, és a az alsót pedig úgy fordítom, hogy a víz és a gázkeverék felé nyitott legyen. Maga a készülék a közlekedőedények-elve alapján működik. Mivel a víz korlátlanul oldja az ammóniát, ezért egy pár perc elteltével beáll az egyensúly. Ezt követően leolvashatjuk az értéket. Minden mérés előtt a vizet leengedtem, majd, ugyanannyit töltöttem bele, a mérés hitelesége miatt. Kizárólag desztillált vizet használtam, mert a csapvízben található karbonátok vízkő formájában kiválnak a mérő üvegre.


35

19. ábra: Krupp-féle disszociométer működés közben

Az 20. ábrán a vázlati rajzon észrevehető, hogy a hosszú csíkozás a 10 értékkel megy fentebb, illetve a rövid vonal 5 egységet ér.

20. ábra: Vázlati rajz a disszociométerről [21] A szerző(k) neve(i)

36

A mérést nem csak a disszociométer segítségével végeztem, hanem gázkromatográffal is, azért, hogy ellenőrizni és kalibrálni tudjam a méréseimet. A 21. ábrán látható módszer megmutatja, hogy történt a mintavételezés, amit egyidejűleg lehetségessé tette a mintavételezést.

21. ábra: Mintavételezés


37

22. ábra: Gázkromatográf

23. ábra Gázkromatográf vázlati rajza [26]


38

A 22. ábrán látható módon a fecskendő segítségével a gázkromatográf készülékbe jutatjuk a mintát. Egy vivő gáz segítségével folyamatosan áramlik, ahol akadályként a kolóniába ütközik, így az adott típusú gázok lassabban érnek oda a detektorhoz, ez által pontosan lehet következtetni a gáz összetételére (23. ábra).

8

MÉRÉSEK EREDMÉNYEI

Két különböző hőmérsékleten végeztem a méréseimet, de azonos gáz keverék mellett. Kruppféle disszociométer és a gázkromatográf alkalmazása mellett. Ezeket többféle módon hasonlítottam össze.

8.1

Első kísérlet

A mérést 520 0C végeztem, 45 percenkét állítva a gáz összetételét az 24. ábrán látható rotaméter segítségével. A 17.ábrán látható program lett indítva a kemencén, ahol minden időtartamhoz kapcsolódik hőmérséklet, és hogy melyik szelepeket fogja nyitni automatikusan a mágneskapcsolók . Látható, hogy az első lépésben 350 0C-ig állítjuk a kemencét, majd utána 520 0C-ra. Ezen a hőmérsékleten 9 óráig megy a kemence. Minden programlépésnél be kell állítani a szelepek nyitását, ami által a beáramló gázokat tudjuk nyitott állásba helyezni. Minden új kísérlet előtt átmostuk a rendszert, a fent említettek szerint.

24. ábra: Kemence program A szerző(k) neve(i)

39

A kemence belső térfogata körülbelül 400 liter, ez alapján állítottam be a keverék százalékos arányait. 4. táblázat: Első mérés eredményei Krupp-nál az NH3 %

N2 [ h/l ]

NH3 [ h/l ]

CO2 [ h/l ]

ammónia értéke

Gázkromatográfia által mértérték

30

280

120

-

11

12

40

240

160

-

21

22,2

50

200

200

-

27

27,06

60

160

240

-

32

31,7

70

120

280

-

42

42,4

80

100

400

-

48

49

100

-

400

-

71

69,7

80 71 60 31,7 42 22,2 2727,06 32 12 21

40 20

69,7

Disszociométer általi érték

42,4 4849

Gázkromatográf által érték

11

0 30


40

50

60

70

80

100

40

25. ábra: Mértértékek összehasonlítása A 25. ábra mutatja, hogy minimális eltéréséket látunk a disszociométer és a gázkromatográf által mért értékek között. A 26. ábra az idő előre haladásával kialakult gázatmoszférát mutatja, amit befolyásolt a beadagolt gáz százalékos összetétele. 90 80

Összetétel, %V/V

70 60

H2

50

CO CO2

40

NH3

30

N2

20 10 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9 [t]

26. ábra: Gázösszetétel Az ammónia tartalom folyamatosan növekszik a beállított értékeknek megfelelően, míg a nitrogéngáz csökken. Ez azért van, mert több atomos nitrogén keletkezik, és az atomos nitrogént nem tudja kimutatni a kromatográfia,de következtetni lehet. A 27. ábrán bemutatásra kerül egy 40%-os ammónia tartalom esetében a gáztér felépülése. Látható, hogy nem azonnal alakul ki a beáramlást követően, hanem bizonyos időegységnek kell eltelnie. Ez minden beállított értéknél igaz, míg nem épül fel teljesen addig nem szabad mérni, mert nem a valós értéket mutatja. A 28. ábrán az utolsó beállított értékig mutatja a kemencetér felépülését. Mindkét esetben elmondható, hogy számított görbe, ahol több tényező figyelembe van véve. Az eltelt idő, a kemence térfogata és hőmérséklete, a beáramló gáz hőmérséklete.


41

[%]

[t]

27. ábra Kemence atmoszférájának a felépülése 40%-os ammónia tartalomnál

arány

[%] 1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

[t]

0 0

2

4

6

8

10

12

28. ábra: Gáztér felépülése


42

29. ábra A gáztér elméleti felépülése és a mért értékek összehasonlítása A 29. ábrán a számolt görbe abban az esetben igaz, hogy ha az ammónia nem bomlik, tehát a diagramon feltüntetett értékek azért alacsonyabbak, mert a kemencében folyamatosan disszociált az ammónia. Az arány azért ugrál folyamatosan, mert 45 percenként növeltem a beáramló ammónia mennyiségét. 8.2

Második kísérlet

620 0C-on végeztük ezt a kísérletet, ugyanúgy 45 percenként változtatva a gázösszetételt, annyi különbséggel, hogy CO2-t is adagoltunk, tehát ez esetben karbonnitridálásról beszélünk. 5. táblázat: Második mérés adatai NH3 %

N2 [ h/l ]

NH3 [ h/l ]

CO2 [ h/l ]

30

270

120

40

224

50

Disszociométer Gázkromatográf által mértérték

által mértérték

12

1

1,7

160

16

4

4,4

180

200

20

5

5,4

60

136

240

24

5

5,7

68

100

272

28

14

13,6

40

17

17,1

100


43

30. ábra: Gázösszetétel 2. mérés A 30. ábrán látható, hogy a szén-dioxid teljes mértékben disszociál, és nő a hidrogén tartalom, ami kicsit elbizonytalanít, mivel karbonát ionoknak meg kellene kötnie a hidrogént. Az ammónia tartalom elvártnak megfelelően nő. 18 16 14 12 10

Disszociométer által mértérték

8

Gázkromatográf által mértérték

6 4 2 0 30

40

50

60

68

100

31. ábra: Mért értékek összehasonlítása 2. kísérletnél


44

Kísérletek összehasonlítása

8.3

A kísérletek összehasonlítása fontos, hogy rálássunk, hogy más-más hőmérsékleten hasonló körülmények között, hogyan változnak az értékeink és a méréseink pontossága miként változik. 2 1,5 1 0,5 második mérés 0

első mérés

-0,5 -1 -1,5

32. ábra Mérések pontosságának összehasonlítása A 32. ábrán láthatjuk, hogy a magasabb hőmérsékleten végzett mérések esetében kisebb a differencia a Krupp-féle disszociométer és a gázkromatográf általi mérések között, igaz ezek elhanyagolható különbségek.


45

9

ÖSSZEFOGLALÁS

A kísérlet legfontosabb célját elértem, mi szerint bebizonyosodott, hogy alkalmas Krupp-féle disszociométer a nitridálásnál a különböző tényezők meghatározására. A kemencét átalakítottam mintavételezésre, úgy hogy a kemence tér nyomása a kritikus értéket ne lépje túl. A gázkromatográffal a mérések pontosságát ellenőrizni tudtam. A mérési eredmények az elvártnak megfelelően alakultak. A pontosság a hőmérséklettel összefüggésben áll a mérések alapján. Véleményem szerint a kísérletet folytatni kellene, úgy hogy különböző méretű felülettel rendelkező munkadarabbal indítjuk a kemencét, ezáltal a látókörünket bővíthetnénk a Kruppféle disszociométer használatában. Meg kellene nézni annak lehetőségét, hogy lehet-e automatizálni a folyamatot. A fontosabb mérési adatokat táblázatokba foglaltam, majd az összehasonlítást különböző diagramokkal ábrázoltam.


46

10 IRODALOMJEGYZÉK [1] Dr. Balogh András – Dr. Schäffer József – Dr. Tisza Miklós: Mechanikai technológiák, Miskolc, 2007. [2] http://gerikozl.atw.hu/MA_13.pdf (2015.09.19.) [3] Dr. Csizmazia Ferencné: Hőkezelési kézirat, Széchenyi István Egyetem Anyagismereti és Járműgyártási Tanszék, Győr 2003. [4]

http://www.sze.hu/~czinege/Fel%FCleti-techn/ft-03-anyagfelv-n%E9lk-ft.pdf

(2015.09.19) [5] www.bgk.uni-obuda.hu/~aat/oktatas/gepesz/.../hokezeles_3.doc (2015.09.19.) [6] www.sze.hu/~czinege/Felületi-techn/ft-03-anyagfelv-nélk-ft.pdf (2015.09.20.) [7] http://docplayer.hu/46884-Mi-az-indukcios-hevites.html (2015.09.20.) [8] Dr. Zorkóczy Béla: Metallográfia és Anyagvizsgálat, Nemzeti tankönyvkiadó, Budapest, 1968. [9] Sebestyén Anita, Nagyné Halász Erzsébet, Bagyinszki Gyula, Bitay Enikő: Felületmódosítási Eljárások Hatása Acélok Kopásállóságára, XII. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Kolozsvár, 2007 március 16-17. http://www.academia.edu/2310121/Fel%C3%BCletm%C3%B3dos%C3%ADt%C3% A1si_elj%C3%A1r%C3%A1sok_hat%C3%A1sa_ac%C3%A9lok_kop%C3%A1s%C 3%A1ll%C3%B3s%C3%A1g%C3%A1r (2015.09.25.) [10] Lizák József: Hőkezelés: Gyakorlati segédlet, Nemzeti Tankönyvkiadó, 1996 Budapest [11] http://www.sasovits.hu/cnc/irodalom/hokezeles.pdf (2015.10.2.) [12] David Pye – Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing, ASM International, 2003 [13] ASM Handbook, Heat Treating, 2006 [14] Szurdán Szabolcs, Szerszámacélok karbonnitridálása c. Szakdolgozat; Miskolc; 2012. [15] http://www.szerszamedzo.hu/images/sofurdos%20kemence.jpg (2015.09.25.) [16] http://emrtk.unimiskolc.hu/projektek/adveng/home/kurzus/korsz_anyagtech/1_konzult acio_elemei/objects/Fe-N.JPG (2015.09.25.) [17] http://www.iaeng.org/publication/IMECS2011/IMECS2011_pp1244-1247.pdf


47

[18] http://www.innopress.hu/hun/tech/tech17.html (2015.11.14.) [19] Veres Zsolt, Szabó Endre, Roósz András, Új hőkezelési lehetőség a Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézetben: Gáznitridálás, Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012) [20] Halászi Péter, Különböző Anyagminőségű Acélok Nitridálhatóságának Összehasonlítása, 2011 [21] Tömöry Tiborné, Az ammónia gáz disszociáció fokának szerepe a nitridálási folyamatokban, Kohászati Lapok 1956. 5. sz. [22] E. V. Pereloma, A. W. Conn, R. W. Reynoldson, Comparison of ferritic nitrocarburising technologies, 2001. [23] A. Leineweber, T. Gressmann, E. J. Mittemeijer, Simultaneous control of the nitrogen and carbon activities during nitrocarburising of iron, 2011 [24] http://cms.sulinet.hu/get/d/9cb341b6-d00d-4572-8168ddaf4271ab4d/1/3/b/Large/langedzes_nagyitott.png (2016.04.18.) [25] Dr. Réti Tamás, Dr. Zsoldos Ibolya, Válogatott fejezetek az anyagtudományból (2011); Lektor: Dr. Réger Mihály [26] http://ttk.pte.hu/analitika/letoltesek/jegyzet/resources/gc1.gif (2016.04.19.)


48

NITRIDÁLÓ ATMOSZFÉRA AKTIVITÁSÁNAK MÉRÉSE GÁZ DISSZOCIOMÉTER SEGÍTSÉGÉVEL

Recommend Documents