Statut d'application et tendance de développement du processus de nitruration de terres rares

Depuis le milieu des années 1980, en production, certains engrenages généralement traités avec un procédé de cémentation et de trempe en acier allié ont des exigences de résistance plus élevées, ainsi que des exigences de vitesse élevée, de puissance élevée et de fiabilité élevée. Cependant, la forme de l'acier après le traitement de cémentation et de trempe est relativement grande et des étapes ultérieures telles que le traitement de meulage des engrenages doivent être ajoutées. Il n'est pas facile d'obtenir un traitement de meulage des engrenages pour les engrenages sans développante. En outre, le développement rapide de l'industrie aérospatiale au cours des dernières années a également favorisé l'application de grands anneaux de précision et de pièces à parois minces. À l'heure actuelle, le traitement de surface de ces pièces en acier adopte principalement le processus de cémentation et de trempe, qui pose également le problème de la difficulté de traitement final et de formage, et de grandes déformations après la trempe. Par rapport à la pièce cémentée, la pièce après nitruration a moins de déformation, ce qui peut mieux résoudre les problèmes ci-dessus.

En tant que deux procédés de traitement thermique de durcissement superficiel les plus courants, la nitruration et la cémentation ont leurs propres avantages. La résistance à l'usure de la couche de nitruration est meilleure que celle de la couche cémentée et la dureté est plus élevée, mais le cycle de traitement est plus long que celui de la couche cémentée. La couche de nitruration est moins profonde que la couche cémentée (0.3～0.5 mm) et la capacité de charge portante et d'impact est relativement faible. . Des études expérimentales ont montré qu'un traitement de nitruration profonde (> 0.55 mm) peut remplacer partiellement le processus de cémentation, et peut également améliorer efficacement la résistance aux chocs et la capacité portante de la couche cémentée.

Depuis que les terres rares ont été appliquées au traitement thermique chimique, des chercheurs nationaux et étrangers ont mené de nombreuses études sur le rôle des terres rares dans le processus de nitruration et ont obtenu des résultats remarquables. C'est-à-dire que l'ajout de terres rares dans le processus de nitruration peut augmenter efficacement le taux d'infiltration et la dureté de la couche d'infiltration. , Rendre la couche d'infiltration plus épaisse et améliorer la structure, ayant ainsi le double rôle de catalyse et de microalliage. Le développement de la technologie de nitruration des terres rares dépend de ses propres caractéristiques, c'est-à-dire que la structure unique de la couche électronique lui confère une forte activité chimique.

L'ajout d'éléments de terres rares au processus de nitruration présente de nombreux avantages : d'une part, il peut accélérer la nitruration ; deuxièmement, il peut réduire efficacement la température de nitruration ; troisièmement, il peut considérablement augmenter la durée de vie des équipements et des montages de pièces; quatrièmement, il peut améliorer la fatigue de flexion des pièces, la résistance à la fatigue de contact et la résistance à l'usure, etc. Par conséquent, dans la nitruration des engrenages chinois, l'introduction d'éléments de terres rares dans le processus de traitement thermique chimique a amélioré le processus à un nouveau niveau et grandement amélioré la qualité du produit, réalisant ainsi une intégration précoce avec les normes internationales et améliorant la compétitivité internationale.

1. Statut d'application du procédé de nitruration conventionnel

La nitruration est une technologie de traitement thermique chimique de surface largement utilisée. Le but du processus de nitruration est d'obtenir une dureté de surface plus élevée sans modifier fondamentalement ses propres propriétés et la taille de la pièce, et en même temps, il peut améliorer la résistance à l'usure et augmenter la durée de vie en fatigue. . Comme les autres procédés de traitement thermique chimique, le procédé de nitruration comprend la décomposition du milieu de nitruration, la réaction dans l'agent de nitruration, la diffusion, la réaction d'interface de phase, la diffusion de l'élément azoté infiltré dans le fer et la formation de nitrures. D'après le diagramme de phase de l'alliage Fe-N, la température de nitruration est généralement inférieure à 590°C (température eutectoïde de l'azote), et la couche de nitruration forme la phase ε et la phase de la surface vers l'intérieur. Étant donné que la vitesse de diffusion des atomes d'azote dans la phase epsilon est la plus lente, une fois la couche de nitruration formée, la phase epsilon agira comme une barrière pour empêcher la diffusion vers l'intérieur des atomes d'azote. Par conséquent, dans des circonstances normales, le taux de croissance de la couche de nitruration diminuera de manière significative après la nitruration pendant une période de temps.
Procédé de nitruration des terres rares

2.1 Le mécanisme de la nitruration des terres rares

La terre rare est un terme collectif pour 17 éléments, dont les éléments lanthanides et le scandium (Sc) et l'yttrium (Y). Ces terres rares sont relativement actives et se situent entre le magnésium (Mg) et l'aluminium (Al). En raison de ses caractéristiques uniques, il est largement utilisé dans de nombreux domaines. C'est également grâce à ces caractéristiques qu'il peut être utilisé comme accélérateur de traitement thermique et être utilisé en traitement thermique chimique. En traitement thermique chimique, le lanthane (La) et le cérium (Ce) sont souvent les éléments principaux, car ils ont une structure de couche électronique 4f et une forte électronégativité chimique, comme le cérium (Ce)-2.48, le lanthane (La)-2.52, donc , ses propriétés chimiques sont relativement actives, ce qui lui permet à son tour de produire une meilleure synergie chimique avec une variété de non-métaux. Les chercheurs du Harbin Institute of Technology pensent que les éléments des terres rares avec une structure électronique spéciale et une activité chimique peuvent pénétrer dans la surface des pièces en acier. La raison des nombreux avantages est qu'une fois que l'élément des terres rares pénètre dans la surface de l'acier, le rayon atomique est environ 40% plus grand que celui de l'atome de fer, ce qui provoquera la distorsion du réseau d'atomes de fer environnant, ce qui en tour augmente la densité de défauts, c'est-à-dire que la distorsion en produit plus de nouveaux. Les défauts cristallins sont propices à l'adsorption et à la diffusion des atomes d'azote, de sorte que les atomes interstitiels s'enrichissent dans la zone de distorsion. Une fois que l'élément des terres rares a pénétré dans la surface de la pièce en acier, il formera une concentration élevée d'azote sur la surface de la pièce en acier en peu de temps, formant ainsi un potentiel d'azote élevé et un gradient de concentration, ce qui fait que les atomes d'azote se diffusent vers l'intérieur rapidement, rendant ainsi évident le processus de traitement thermique chimique. Accélérer et affiner la structure de la couche infiltrée et améliorer les performances de la couche infiltrée.

L'auteur estime que l'augmentation substantielle du taux de nitruration des terres rares est principalement due aux raisons suivantes :

• L'infiltration d'éléments de terres rares fait proliférer la densité de défauts, le flux de diffusion J augmente et le coefficient de transfert des atomes d'azote augmente fortement.
• L'infiltration d'éléments de terres rares induit une distorsion du réseau des atomes de Fe de surface, ce qui augmente l'énergie de surface, augmentant ainsi l'énergie d'adsorption de la capture des atomes N interstitiels.
• L'enrichissement d'un grand nombre d'atomes de N dans la zone de distorsion augmente la différence de concentration d'azote, améliore l'énergie chimique et accélère la vitesse de diffusion.

2.2.Les caractéristiques de la nitruration des terres rares

L'effet catalytique des terres rares lors de la nitruration est bien supérieur à celui de la cémentation, qui est une caractéristique importante de la nitruration des terres rares. La raison en est que la température de nitruration se situe généralement dans la zone de phase -Fe et que la résistance à l'infiltration des éléments des terres rares dans cette zone de phase est bien inférieure à celle de la zone de phase γ-Fe ; en outre, la quantité d'infiltration de terres rares est également le principal facteur affectant l'effet d'infiltration. . De manière générale, une grande quantité d'infiltration a un meilleur effet d'infiltration, et la quantité d'infiltration de terres rares pendant la nitruration est supérieure à celle pendant la cémentation, donc l'effet d'infiltration pendant la nitruration est meilleur.

La distribution et la morphologie du nitrure dans la couche de nitruration sont la clé de la dureté de la couche de nitruration. Lorsque le nitrure est dispersé et distribué, la dureté est plus élevée, au contraire, la dureté est plus faible. Dans le procédé de nitruration classique, le nitrure floconneux est généralement produit, et le nitrure est cohérent ou semi-cohérent avec la phase mère. Au fur et à mesure que la température augmente, les nitrures continuent de s'accumuler et deviennent plus gros, se désolubilisent de la phase mère et la dureté chute fortement.

Dans le processus de nitruration des terres rares, l'infiltration de terres rares fait que le nitrure présente un état de distribution dispersé et inégal, de sorte que l'énergie libre augmente fortement et devient un piège pour les atomes N interstitiels. Dans le même temps, une masse d'air de Cottrell métastable peut se former, ce qui peut y réduire l'énergie. La formation de nitrures prend comme noyau des éléments de terres rares et leur distribution devient finement dispersée. En même temps, il présente également une précipitation quasi-sphérique diffuse, évitant ainsi la génération d'une structure en forme de veine, et évitant également la ségrégation de nitrure le long du joint de grain. De plus, dans une certaine plage de températures, la morphologie du nitrure ne changera pas et sa distribution ne changera pas. Par rapport à la technologie de nitruration conventionnelle, la technologie de nitruration des terres rares augmente la dureté de la couche de nitrure et la fragilité peut être maintenue à 0 ~ niveau 1.

2.3. Exigences du procédé de nitruration des terres rares

La nitruration des terres rares a la caractéristique d'une dureté plus élevée de la couche de nitruration. Selon cette caractéristique, la température de nitruration peut être augmentée de 10 à 20°C, favorisant ainsi plus efficacement l'augmentation de la vitesse de nitruration. D'après les résultats d'un grand nombre d'expériences, on constate qu'à température égale, la nitruration des terres rares ne peut augmenter le taux d'infiltration que de 15 à 20 %, mais après avoir augmenté la température de 20°C, le taux d'infiltration peut être considérablement augmenté. Dans le même temps, similaire à la technologie de nitruration conventionnelle, la nitruration des terres rares doit contrôler le taux de décomposition de l'ammoniac de la nitruration dans une plage raisonnable, c'est-à-dire qu'un potentiel d'azote (Np) plus élevé doit être utilisé dans l'étape initiale, puis progressivement réduit. Généralement, le processus de nitruration à atmosphère contrôlée à deux extrémités avec température variable et potentiel de nitruration variable est adopté, et le taux de décomposition de l'ammoniac est réduit au stade initial, et le potentiel d'azote est augmenté pour répondre aux exigences d'accélération de la vitesse de nitruration, ce qui augmente considérablement il.

2.4. Avantages économiques et économie d'énergie de la nitruration des terres rares

En utilisant le processus de nitruration conventionnel, l'acier de construction en alliage général, lorsque la couche nécessite 0.3 mm, le temps de maintien nécessite généralement plus de 30 h. Lorsque la couche d'infiltration nécessite 0.6 mm, le temps de conservation de la chaleur nécessite plus de 90h. Une fois la nitruration des terres rares ajoutée au catalyseur, lorsque l'acier de construction en alliage normal nécessite une couche d'infiltration de 0.3 mm, si le processus de nitruration d'isolation thermique cyclique peut être utilisé dans les mêmes conditions de température, le temps de maintien ne sera que de 14h. Par rapport à la technologie de nitruration conventionnelle, le temps de conservation de la chaleur est plus court de 16h et 53% du temps est économisé. Par conséquent, il peut économiser 40 % d'électricité, réduire la consommation d'ammoniac d'environ 35 % et réduire les émissions de gaz d'échappement d'environ 35 %. Lorsque la couche de pénétration nécessite 0.6 mm, le temps de conservation de la chaleur peut être raccourci d'environ 40 %.

La Chine est un grand pays fabricant de machines, avec des milliers d'entreprises utilisant la nitruration au gaz, principalement dans la fabrication de machines-outils, la transmission d'énergie éolienne, l'équipement aérospatial, la fabrication de moules et d'autres industries. On estime que 3000 fours de nitruration à fosse (calculés à 75 kW) fonctionneront 100 fois par an, et chaque mise sous tension pendant 25 h consommera 5.625 × 108 kW•h d'électricité par an. L'utilisation d'agent de perméation de terres rares peut augmenter le taux de perméation de 40 % et économiser de l'électricité de 2.250 108 × 90,000 kW•h, ce qui équivaut à 2 80,000 tonnes de charbon standard et réduire les émissions de COXNUMX de XNUMX XNUMX tonnes. Par conséquent, si l'ensemble de l'industrie adopte la technologie d'infiltration de terres rares dans le processus de nitruration, cela aura un meilleur effet "d'économie d'énergie et de réduction des émissions".

3. Développement de la technologie de nitruration des terres rares

3.1. L'importance de la nitruration des terres rares

Ces dernières années, avec la hausse générale des prix mondiaux de l'énergie, le développement économique de la Chine est confronté à d'énormes défis. Pour cette raison, il a proposé de créer un pays innovant et économe en énergie et d'atteindre l'objectif de développement économique durable, et a publié des mesures pertinentes pour réduire la consommation d'énergie, la conservation de l'énergie et la réduction des émissions. Et des politiques connexes pour obtenir une prolongation efficace de la durée de vie. Selon le test préliminaire du processus de nitruration des terres rares, on peut savoir que l'infiltration catalysée par des terres rares peut considérablement raccourcir le temps de nitruration au gaz et montrer différents effets catalysés pour différents matériaux en acier, généralement elle peut être raccourcie d'environ 30% à 60 %, et la dureté de surface est également faible. Comparé à la nitruration traditionnelle, il peut augmenter de 50～150HV. Les calculs préliminaires indiquent que l'utilisation de cette technologie réduira considérablement la consommation d'énergie, qui devrait réduire la consommation d'énergie de 30% à 40%, réduire les émissions de gaz résiduaires de nitruration, raccourcir les heures de travail et améliorer l'efficacité du travail. Dans le même temps, la qualité des pièces en acier est grandement améliorée, la résistance à l'usure est grandement améliorée, la résistance à l'usure de la surface est grandement améliorée, la résistance et la dureté sont augmentées dans une certaine plage, et l'utilisation efficace et la longue durée de vie sont réalisées . La technologie de nitruration des terres rares favorisera le développement du processus de nitruration en Chine.

3.2 Perspectives de la nitruration des terres rares

Le processus de nitruration a les caractéristiques d'améliorer la dureté de surface des pièces, d'améliorer la résistance à l'usure des pièces et d'améliorer la résistance à la corrosion et la résistance à la fatigue. Il peut être largement utilisé dans les industries de production de moules et de machines électriques. La nitruration est un processus irremplaçable dans le traitement mécanique, mais il existe encore des problèmes qui doivent être résolus de toute urgence dans le processus de nitruration. Par exemple, le temps de traitement est trop long. En prenant une couche de 0.5 mm comme exemple, cela prendra jusqu'à 50 heures. Si le temps auxiliaire est ajouté Calcul compris, son temps de traitement atteindra 3 à 4 jours. Par conséquent, cela gaspillera beaucoup d'heures de travail, de consommation d'électricité et d'ammoniac. Pour cette raison, les futures recherches sur le processus de nitruration devraient se concentrer sur les aspects suivants : l'un est de raccourcir le temps de nitruration ; l'autre est d'approfondir la couche d'infiltration ; le troisième est de réduire la consommation d'énergie ; et le quatrième est de s'orienter vers le développement d'une économie verte.

Compte tenu des ressources abondantes en terres rares de la Chine et des nombreux avantages du processus de nitruration des terres rares, l'innovation et la promotion technologiques devraient être utilisées pour tirer pleinement parti des avantages des ressources et de la technologie pour former des avantages de développement industriel et des avantages économiques.

Les chercheurs en science et technologie des matériaux devraient se concentrer sur l'innovation et la promotion du processus de nitruration des terres rares et mener une discussion plus approfondie sur ses lois internes et son mécanisme de nitruration. Effectuer en permanence la recherche et le développement de catalyseurs de terres rares à haute efficacité et s'efforcer de réaliser le remplacement complet du processus de nitruration conventionnel par le processus de nitruration de terres rares, maximisant ainsi l'effet d'économie d'énergie, de réduction des émissions, de réduction de la consommation et d'efficacité augmentation et prolongation de la durée de vie.

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