Estado de la aplicación y tendencia de desarrollo del proceso de nitruración de tierras raras

Desde mediados de la década de 1980, en producción, algunos engranajes generalmente tratados con procesos de cementación y temple de acero aleado tienen requisitos de resistencia más altos, así como requisitos de alta velocidad, alta potencia y alta confiabilidad. Sin embargo, la forma del acero después del tratamiento de cementación y temple es relativamente grande, y es necesario agregar pasos posteriores, como el tratamiento de rectificado de engranajes. No es fácil lograr un tratamiento de rectificado de engranajes para engranajes no involutas. Además, el rápido desarrollo de la industria aeroespacial en los últimos años también ha promovido la aplicación de grandes anillos de precisión y piezas de paredes delgadas. En la actualidad, el tratamiento superficial de estas piezas de acero adopta principalmente el proceso de cementación y temple, que también presenta el problema de la dificultad en el procesamiento y conformado final, y una gran deformación después del temple. En comparación con la pieza de trabajo carburizada, la pieza de trabajo después de la nitruración tiene menos deformación, lo que puede resolver mejor los problemas anteriores.

Como los dos procesos de tratamiento térmico de endurecimiento de superficies más comunes, la nitruración y la cementación tienen sus propias ventajas. La resistencia al desgaste de la capa de nitruración es mejor que la de la capa cementada y la dureza es mayor, pero el ciclo del proceso es más largo que el de la capa cementada. La capa de nitruración es menos profunda que la capa cementada (0.3 ± 0.5 mm) y la capacidad de carga de impacto y de cojinete es relativamente débil. . Los estudios experimentales han demostrado que el tratamiento de nitruración profunda (> 0.55 mm) puede reemplazar parcialmente el proceso de carburación y también puede mejorar eficazmente la resistencia al impacto y la capacidad de carga de la capa carburada.

Dado que las tierras raras se han aplicado al tratamiento térmico químico, los académicos nacionales y extranjeros han realizado muchos estudios sobre el papel de las tierras raras en el proceso de nitruración y han logrado resultados notables. Es decir, agregar tierras raras en el proceso de nitruración puede aumentar efectivamente la tasa de infiltración y la dureza de la capa de infiltración. , Haciendo más gruesa la capa de infiltración y mejorando la estructura, teniendo así la doble función de catálisis y microaleación. El desarrollo de la tecnología de nitruración de tierras raras depende de sus propias características, es decir, la estructura de capa electrónica única hace que tenga una fuerte actividad química.

La adición de elementos de tierras raras al proceso de nitruración tiene muchas ventajas: primero, puede acelerar la nitruración; en segundo lugar, puede reducir eficazmente la temperatura de nitruración; tercero, puede aumentar en gran medida la vida útil de los equipos y accesorios de las piezas de trabajo; cuarto, puede mejorar la fatiga por flexión de las piezas, la resistencia a la fatiga por contacto y la resistencia al desgaste, etc. Por lo tanto, en la nitruración de engranajes chinos, la introducción de elementos de tierras raras en el proceso de tratamiento térmico químico ha mejorado el proceso a un nuevo nivel y ha mejorado enormemente la calidad del producto, logrando así una integración temprana con los estándares internacionales y mejorando la competitividad internacional.

1. Estado de aplicación del proceso de nitruración convencional

La nitruración es una tecnología de tratamiento térmico químico de superficies ampliamente utilizada. El propósito del proceso de nitruración es obtener una mayor dureza superficial sin cambiar básicamente sus propias propiedades y el tamaño de la pieza de trabajo, y al mismo tiempo, puede mejorar la resistencia al desgaste y aumentar la vida a la fatiga. . Al igual que otros procesos de tratamiento térmico químico, el proceso de nitruración incluye la descomposición del medio de nitruración, la reacción en el agente de nitruración, la difusión, la reacción de interfaz de fase, la difusión del elemento nitrógeno infiltrado en el hierro y la formación de nitruros. Según el diagrama de fases de la aleación Fe-N, la temperatura de nitruración es generalmente inferior a 590 ° C (la temperatura eutectoide del nitrógeno) y la capa de nitruración forma la fase ε y la fase α desde la superficie hacia el interior. Dado que la velocidad de difusión de los átomos de nitrógeno en la fase épsilon es la más lenta, después de que se forma la capa de nitruración, la fase épsilon actuará como una barrera para impedir la difusión hacia el interior de los átomos de nitrógeno. Por lo tanto, en circunstancias normales, la tasa de crecimiento de la capa de nitruración disminuirá significativamente después de la nitruración durante un período de tiempo.
Proceso de nitruración de tierras raras

2.1 El mecanismo de nitruración de tierras raras

Tierra rara es un término colectivo para 17 elementos que incluyen elementos lantánidos y escandio (Sc) e itrio (Y). Estos elementos de tierras raras son relativamente activos y se encuentran entre el magnesio (Mg) y el aluminio (Al). Debido a sus características únicas, se usa ampliamente en muchos campos. También es debido a estas características que se puede utilizar como acelerador de tratamientos térmicos y se puede utilizar en tratamientos térmicos químicos. En el tratamiento térmico químico, el lantano (La) y el cerio (Ce) son a menudo los elementos principales, porque tienen una estructura de capa electrónica 4f y una fuerte electronegatividad química, como cerio (Ce) -2.48, lantano (La) -2.52, por lo tanto , sus propiedades químicas son relativamente activas, lo que a su vez le permite producir una mejor sinergia química con una variedad de no metales. Los estudiosos del Instituto de Tecnología de Harbin creen que los elementos de tierras raras con una estructura electrónica especial y actividad química pueden penetrar en la superficie de las piezas de acero. La razón de las muchas ventajas es que una vez que el elemento de tierras raras penetra en la superficie del acero, el radio atómico es aproximadamente un 40% más grande que el del átomo de hierro, lo que provocará la distorsión de la red del átomo de hierro circundante, que en A su vez, aumenta la densidad de defectos, es decir, la distorsión produce más nuevos. Los defectos cristalinos favorecen la adsorción y difusión de átomos de nitrógeno, de modo que los átomos intersticiales se enriquecen en la zona de distorsión. Después de que el elemento de tierras raras penetra en la superficie de la pieza de acero, formará una alta concentración de nitrógeno en la superficie de la pieza de acero en poco tiempo, formando así un alto potencial de nitrógeno y un gradiente de concentración, lo que hace que los átomos de nitrógeno se difundan hacia adentro. rápidamente, lo que hace que el proceso de tratamiento térmico químico sea obvio. Acelere y refine la estructura de la capa infiltrada y mejore el rendimiento de la capa infiltrada.

El autor cree que el aumento sustancial en la tasa de nitruración de tierras raras se debe principalmente a las siguientes razones:

• La infiltración de elementos de tierras raras hace que prolifere la densidad de defectos, aumenta el flujo de difusión J y aumenta considerablemente el coeficiente de transferencia de átomos de nitrógeno.
• La infiltración de elementos de tierras raras induce la distorsión de la red de los átomos de Fe de la superficie, lo que aumenta la energía de la superficie, lo que aumenta la energía de adsorción de los átomos de N intersticiales capturados.
• El enriquecimiento de un gran número de átomos de N en la zona de distorsión aumenta la diferencia de concentración de nitrógeno, aumenta la energía química y acelera la velocidad de difusión.

2.2 Las características de la nitruración de tierras raras

El efecto catalítico de las tierras raras durante la nitruración es mucho mayor que el de la carburación, que es una característica importante de la nitruración de tierras raras. La razón es que la temperatura de nitruración suele estar en la zona de la fase α-Fe, y la resistencia a la infiltración de los elementos de tierras raras en esta zona de la fase es mucho menor que la de la zona de la fase γ-Fe; Además, la cantidad de infiltración de tierras raras también es el factor principal que afecta el efecto de infiltración. . En términos generales, una gran cantidad de infiltración tiene un mejor efecto de infiltración, y la cantidad de infiltración de tierras raras durante la nitruración es mayor que durante la carburación, por lo que el efecto de infiltración durante la nitruración es mejor.

La distribución y morfología del nitruro en la capa de nitruración son la clave de la dureza de la capa de nitruración. Cuando el nitruro se dispersa y distribuye, la dureza es mayor, por el contrario, la dureza es menor. En el proceso de nitruración convencional, generalmente se produce el nitruro en escamas y el nitruro es coherente o semi-coherente con la fase original. A medida que aumenta la temperatura, los nitruros continúan acumulándose y se hacen más grandes, se desolubilizan de la fase original y la dureza cae bruscamente.

En el proceso de nitruración de tierras raras, la infiltración de tierras raras hace que el nitruro presente un estado de distribución dispersa y desigual, de modo que la energía libre se eleva bruscamente y se convierte en una trampa para los átomos de N intersticiales. Al mismo tiempo, se puede formar una masa de aire Cottrell metaestable, que puede reducir la energía allí. La formación de nitruros toma elementos de tierras raras como núcleo y su distribución se dispersa finamente. Al mismo tiempo, también presenta una precipitación cuasi esférica difusa, evitando así la generación de estructura venosa, y también evitando la segregación de nitruro a lo largo del límite de grano. Además, dentro de un cierto rango de temperatura, la morfología del nitruro no cambiará y su distribución no cambiará. En comparación con la tecnología de nitruración convencional, la tecnología de nitruración de tierras raras aumenta la dureza de la capa de nitruro y la fragilidad se puede mantener en 0 ~ Nivel 1.

2.3. Requisitos del proceso de nitruración de tierras raras

La nitruración de tierras raras tiene la característica de una mayor dureza de la capa de nitruración. De acuerdo con esta característica, la temperatura de nitruración se puede aumentar de 10 a 20 ° C, promoviendo así de manera más efectiva el aumento de la velocidad de nitruración. De acuerdo con los resultados de una gran cantidad de experimentos, se puede encontrar que con la misma temperatura, la nitruración de tierras raras solo puede aumentar la tasa de infiltración entre un 15% y un 20%, pero después de aumentar la temperatura en 20 ° C, la tasa de infiltración se puede aumentar considerablemente. Al mismo tiempo, de manera similar a la tecnología de nitruración convencional, la nitruración de tierras raras debe controlar la velocidad de descomposición del amoníaco de la nitruración dentro de un rango razonable, es decir, se debe usar un potencial de nitrógeno (Np) más alto en la etapa inicial y luego reducirlo gradualmente. En general, se adopta el proceso de nitruración en atmósfera controlada de dos extremos con temperatura variable y potencial de nitruración variable, y la tasa de descomposición del amoníaco se reduce en la etapa inicial, y el potencial de nitrógeno aumenta para cumplir con los requisitos de aceleración de la velocidad de nitruración, lo que aumenta enormemente. eso.

2.4. Beneficios económicos y ahorro energético de la nitruración de tierras raras

Utilizando un proceso de nitruración convencional, acero estructural de aleación general, cuando la capa requiere 0.3 mm, el tiempo de retención generalmente necesita más de 30 h. Cuando la capa de infiltración requiere 0.6 mm, el tiempo de conservación del calor necesita más de 90 h. Después de agregar la nitruración de tierras raras al catalizador, cuando el acero estructural de aleación normal requiere una capa de infiltración de 0.3 mm, si el proceso de nitruración de aislamiento térmico cíclico se puede utilizar en las mismas condiciones de temperatura, el tiempo de retención será de solo 14 h. En comparación con la tecnología de nitruración convencional, el tiempo de conservación del calor es 16 horas más corto y se ahorra el 53% del tiempo. Por lo tanto, puede ahorrar un 40% de electricidad, reducir el consumo de amoníaco en aproximadamente un 35% y reducir las emisiones de gases de escape en aproximadamente un 35%. Cuando la capa de penetración requiere 0.6 mm, el tiempo de conservación del calor se puede acortar en aproximadamente un 40%.

China es un importante país fabricante de maquinaria, con miles de empresas que utilizan nitruración con gas, principalmente en la fabricación de máquinas herramienta, transmisión de energía eólica, equipos aeroespaciales, fabricación de moldes y otras industrias. Se estima que 3000 hornos de nitruración tipo pozo (calculados a 75 kW) funcionarán 100 veces al año, y cada encendido durante 25 horas consumirá 5.625 × 108 kW • h de electricidad al año. El uso de un agente de permeación de tierras raras puede aumentar la tasa de permeación en un 40% y ahorrar electricidad en 2.250 × 108kW • h, lo que equivale a 90,000 toneladas de carbón estándar y reducir las emisiones de CO2 en 80,000 toneladas. Por lo tanto, si toda la industria adopta la tecnología de infiltración de tierras raras en el proceso de nitruración, tendrá un mejor efecto de "ahorro de energía y reducción de emisiones".

3.Desarrollo de tecnología de nitruración de tierras raras

3.1. La importancia de la nitruración de tierras raras

En los últimos años, con el aumento generalizado de los precios mundiales de la energía, el desarrollo económico de China se enfrenta a enormes desafíos. Por esta razón, se ha propuesto establecer un país innovador y ahorrador de energía y lograr el objetivo de desarrollo económico sostenible, y ha emitido las medidas pertinentes para reducir el consumo de energía, la conservación de energía y la reducción de emisiones. Y políticas relacionadas para lograr una extensión de vida eficiente. De acuerdo con la prueba preliminar del proceso de nitruración de tierras raras, se puede saber que la infiltración catalizada por tierras raras puede acortar en gran medida el tiempo de nitruración del gas y mostrar diferentes efectos catalizados para diferentes materiales de acero, generalmente se puede acortar en aproximadamente un 30% a 60 %, y la dureza de la superficie también es baja. En comparación con la nitruración tradicional, puede aumentar 50 ～ 150HV. Los cálculos preliminares indican que el uso de esta tecnología reducirá en gran medida el consumo de energía, que se espera reduzca el consumo de energía entre un 30% y un 40%, reduzca las emisiones de gases residuales de nitruración, acorte las horas de trabajo y mejore la eficiencia del trabajo. Al mismo tiempo, la calidad de las piezas de acero mejora enormemente, la resistencia al desgaste se mejora en gran medida, la resistencia al desgaste de la superficie se mejora enormemente, la resistencia y la dureza aumentan dentro de un cierto rango, y se logra un uso eficiente y una larga vida útil. . La tecnología de nitruración de tierras raras promoverá el desarrollo del proceso de nitruración de China.

3.2 Perspectivas de la nitruración de tierras raras

El proceso de nitruración tiene las características de mejorar la dureza superficial de las piezas, mejorar la resistencia al desgaste de las piezas y mejorar la resistencia a la corrosión y la resistencia a la fatiga. Puede ser ampliamente utilizado en la producción de moldes y en las industrias de maquinaria eléctrica. La nitruración es un proceso insustituible en el procesamiento mecánico, pero todavía hay algunos problemas que deben resolverse con urgencia en el proceso de nitruración. Por ejemplo, el tiempo de proceso es demasiado largo. Tomando una capa de 0.5 mm como ejemplo, tardará hasta 50 h. Si se suma el tiempo auxiliar Incluido el cálculo, su tiempo de proceso llegará a los 3 a 4 días. Por lo tanto, esto desperdiciará muchas horas de trabajo, consumo de electricidad y amoníaco. Por esta razón, el enfoque de la investigación futura sobre el proceso de nitruración debería centrarse en los siguientes aspectos: uno es acortar el tiempo de nitruración; el otro es profundizar la capa de infiltración; el tercero es reducir el consumo de energía; y el cuarto es cambiar a la dirección del desarrollo de una economía verde.

En vista de los abundantes recursos de tierras raras de China y las muchas ventajas del proceso de nitruración de tierras raras, la innovación tecnológica y la promoción deben utilizarse para aprovechar al máximo las ventajas de los recursos y la tecnología para generar ventajas de desarrollo industrial y beneficios económicos.

Los investigadores en ciencia y tecnología de materiales deben tomar la innovación y promoción del proceso de nitruración de tierras raras como el foco de investigación y llevar a cabo una discusión más profunda sobre sus leyes internas y mecanismo de nitruración. Lleve a cabo de manera continua la investigación y el desarrollo de catalizadores de tierras raras de alta eficiencia, y esfuércese por lograr la sustitución completa del proceso de nitruración convencional por el proceso de nitruración de tierras raras, maximizando así el efecto de ahorro de energía, reducción de emisiones, reducción del consumo y eficiencia. aumento y extensión de la vida.

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